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Cette dernière décennie a vu un certain nombre d'avancées significatives en mathématiques, en apprentissage computationnel et en traitement de signal, qui n'ont pas encore été pleinement exploitées en neurosciences. En particulier, l'évaluation de la connectivité dans les réseaux neuronaux peut grandement bénéficier de ces travaux. Nous proposons ici d'exploiter ces outils pour combler partiellement le fossé considérable qui existe encore entre la recherche connectomique à grande échelle (largement centrée sur des mesures indirectes de l'activité cérébrale comme l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)) et les mesures physiologiques plus directes de l'activité cérébrale. Il est particulièrement important de combler ce fossé pour l'étude des propriétés physiologiques associées à divers états de conscience normaux et anormaux, notamment les troubles psychiatriques, le sommeil, l'anesthésie ou les états induits par les drogues. Les travaux récents sur l'induction d'états de conscience altérés par des agonistes non sélectifs de la sérotonine, tels que la psilocybine et le Diéthyllysergamide (LSD), en sont de bons exemples. Au cours des cinq dernières années, une résurgence rapide de la recherche sur la neurobiologie des tryptamines psychédéliques s'est produite, après une interruption d'un demi-siècle. Bien que ces substances présentent un grand potentiel pour éclairer des aspects jusqu'ici non interrogés du fonctionnement normal et anormal du cerveau, l'ampleur et le caractère inhabituel des changements qu'elles provoquent posent de sérieux défis aux chercheurs. La découverte de méthodes convaincantes et évolutives pour étudier ces données est d'une grande importance si nous voulons tirer parti de la fenêtre unique que ces substances atypiques offrent sur les aspects centraux de la conscience et des fonctions cérébrales anormales. Dans la présente thèse, nous résumons l'état actuel de la neuro-imagerie électrophysiologique en ce qui concerne l'étude des tryptamines psychédéliques, et nous démontrons un certain nombre de lacunes évidentes dans la recherche électrophysiologique actuelle sur les psychédéliques. Nous offrons également quelques modestes contributions méthodologiques au domaine. L'utilité de ces contributions est soutenue par quelques résultats empiriques intrigants, bien que préliminaires. Dans le premier chapitre, nous présentons l'histoire de la recherche neuroscientifique sur le LSD. Il a été rapporté que le LSD induit des déplacements de pics dans les spectres de puissance, en même temps que des diminutions de l'amplitude des pics. Le fait que ces effets soient liés entre eux et que la plupart des recherches menées jusqu'à présent n'aient pas cherché à les distinguer est uniformément négligé dans la littérature, ce qui, selon nous, peut conduire à de fausses interprétations. Le chapitre 2 examine certains des avantages plausibles ainsi que les obstacles sérieux à la recherche sur la connectivité du cerveau entier par magnétoencéphalographie (MEG), et propose plusieurs stratégies pour surmonter ces limites méthodologiques. Celles-ci comprennent des stratégies d'imagerie de source convaincantes, des développements nouveaux et récents dans la décomposition spectrale, des mesures de connectivité insensibles à la conduction volumique, et des implémentations évolutives de métriques de couplage interfréquence bien établies. Nous montrons que ces techniques peuvent être étendues à une grille corticale et sous-corticale de plus haute résolution que celle qui existe actuellement. Nous discutons également d'une mise en œuvre allégée de statistiques non paramétriques adaptées à ces données. Le troisième chapitre a pour but de démontrer l'efficacité de ces procédures, en montrant les résultats empiriques d'une étude de la connectivité du cerveau entier sous LSD par MEG. Le quatrième et dernier chapitre discute de ces résultats, ainsi que des précautions nécessaires et des orientations futures prometteuses pour ce type de recherche. Il propose des approches computationnelles supplémentaires qui pourraient étendre la portée de ces recherches et, plus généralement, de l'électrophysiologie du cerveau entier. Dans l'ensemble, le cadre méthodologique proposé dans ce travail surmonte les limitations endémiques précédentes, non seulement dans la recherche sur les psychédéliques, mais aussi dans la recherche électrophysiologique en général, et jette une lumière nouvelle sur sur les mécanismes centraux qui sous-tendent ces états de conscience anormaux, ainsi que sur les importantes précautions à prendre dans la recherche électrophysiologique., The past decade has seen a number of significant advances in mathematics, computational learning, and signal processing, which have yet to be deployed in neuroscience. In particular the assessment of connectivity in neural networks has much to gain from this work. Here we propose these tools be leveraged to partially bridge the considerable gap that still exists between large-scale connectomics research (largely centered around indirect measures of brain activity such as fMRI), and more direct, physiological measures of brain activity. Bridging this gap is especially important to the study of physiological properties associated with various normal and abnormal states of consciousness including Psychiatric conditions, sleep, anaesthesia or drug-induced states. Exemplary of such research, is recent work surrounding the induction of altered states of consciousness by non-selective serotonin agonists such as Psilocybin and LSD. During the past five years, a rapid resurgence of research into the neurobiology of Psychedelic tryptamines has transpired, following a half-century hiatus. While these substances hold great potential to illuminate hitherto uninterrogated aspects of normal and abnormal brain function, the scope and unusual character of the changes they illicit pose serious challenges to researchers. Uncovering cogent and scalable methods for investigating such data is a matter of great importance if we are to leverage the unique window such atypical substances provide into central aspects of consciousness and abnormal brain function. In the present thesis, we summarize the current state of electrophysiological neuroimaging as it pertains to the study of Psychedelic tryptamines, and demonstrate a number of clear shortcomings in current electrophysiological research on Psychedelics. We also offer some modest methodological contributions to the field. The utility of these contributions is supported by some intriguing, albeit preliminary, empirical findings. In the first chapter, we present the history of neuroscientific research on LSD. LSD has been reported to induce peak shifts in power spectra, alongside decreases in peak amplitude. The fact that these effects are inter-related and most research so far has not sought to disambiguate them is uniformly overlooked in the literature, which we believe may lead to false interpretations. Chapter Two discusses some of the plausible advantages as well as serious barriers to whole-brain connectivity research in MEG, proposing several strategies to overcome these methodological limitations. These include cogent source imaging strategies, novel and recent developments in spectral decomposition, connectivity measures insensitive to volume conduction, and scalable implementations of well-established cross-frequency coupling metrics. We show that these techniques can be extended to a higher resolution cortical and subcortical grid than previously shown. We also discuss a lightweight implementation of non-parametric statistics suitable to such data. Chapter Three serves to demonstrate the efficacy of these procedures, showing empirical results from a whole-brain study of connectivity under LSD in MEG. The fourth and final chapter discusses these results, as well as necessary precautions and promising future directions for this kind of research. It proposes additional computational approaches that might extend the scope of such research and whole-brain electrophysiology more generally. Taken together, the methodological framework proposed in this work overcomes previous limitations endemic not only in Psychedelics research, but electrophysiological research broadly, and sheds new light on central mechanisms underlying these abnormal states of consciousness, as well as important precautions in electrophysiological research.

Zu verstehen, wie Menschen geschriebene Sprache verstehen, bleibt herausfordernd, da das Lesen mehrere parallele und interaktive kognitive Prozesse involviert. Durch die Verwendung des internationalen Morse-Codes als Sprachmodell ergeben sich neue Möglichkeiten, diese Herausforderungen anzugehen. In dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten und Grenzen dieses Modells mittels bildgebender Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie und der Magnetoenzephalographie untersucht. Mittels univariater und effektive Konnektivitätsanalysen konnten mehrere Hirnregionen identifiziert werden, die an verschiedenen Teilprozessen der Sprachdekodierung beteiligt sind. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Sprachdekodierung mehrfach von multisensorischen Erfahrungen profitiert. Somit stellt der Morsecode einen geeigneten Ansatz dar, um die Sprachdekodierung aus neuen Perspektiven zu untersuchen und einige Herausforderungen der Sprachforschung anzugehen. Understanding how people make sense of written language remains challenging since reading involves multiple parallel and interactive cognitive processes. By using the international Morse code as a novel model for language decoding, new opportunities arise to address some challenges associated with written scripts. In this work, the possibilities and limitations of Morse code as a model for language decoding were investigated using brain imaging methods such as functional magnetic resonance imaging and magnetoencephalography. Using computational models to guide univariate and effective connectivity analyses, various brain regions were identified and assigned to different subprocesses involved in decoding. Furthermore, it could be shown that language decoding benefits from multisensory experiences in multiple ways. Thus, the Morse code represents a novel approach to investigate language decoding from a new perspective, allowing to target some challenges in language research.

Environ 25% de la population mondiale est atteinte de troubles psychiatriques qui sont typiquement associés à des problèmes comportementaux, fonctionnels et/ou cognitifs et dont les corrélats neurophysiologiques sont encore très mal compris. Non seulement ces dysfonctionnements réduisent la qualité de vie des individus touchés, mais ils peuvent aussi devenir un fardeau pour les proches et peser lourd dans l’économie d’une société. Cibler les mécanismes responsables du fonctionnement atypique du cerveau en identifiant des biomarqueurs plus robustes permettrait le développement de traitements plus efficaces. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure caractérisation des changements dynamiques cérébraux impliqués dans les troubles mentaux, plus précisément dans la schizophrénie et les troubles d’humeur. Pour ce faire, les premiers chapitres de cette thèse présentent, en intégral, deux revues de littératures systématiques que nous avons menées sur les altérations de connectivité cérébrale, au repos, chez les patients schizophrènes, dépressifs et bipolaires. Ces revues révèlent que, malgré des avancées scientifiques considérables dans l’étude de l’altération de la connectivité cérébrale fonctionnelle, la dimension temporelle des mécanismes cérébraux à l’origine de l’atteinte de l’intégration de l’information dans ces maladies, particulièrement de la schizophrénie, est encore mal comprise. Par conséquent, le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les changements cérébraux associés à la schizophrénie dans le domaine temporel. Nous présentons deux études dans lesquelles nous testons l’hypothèse que la « disconnectivité temporelle » serait un biomarqueur important en schizophrénie. Ces études explorent les déficits d’intégration temporelle en schizophrénie, en quantifiant les changements de la dynamique neuronale dite invariante d’échelle à partir des données magnétoencéphalographiques (MEG) enregistrés au repos chez des patients et des sujets contrôles. En particulier, nous utilisons (1) la LRTCs (long-range temporal correlation, ou corrélation temporelle à longue-distance) calculée à partir des oscillations neuronales et (2) des analyses multifractales pour caractériser des modifications de l’activité cérébrale arythmique. Par ailleurs, nous développons des modèles de classification (en apprentissage-machine supervisé) pour mieux cerner les attributs corticaux et sous-corticaux permettant une distinction robuste entre les patients et les sujets sains. Vu que ces études se basent sur des données MEG spontanées enregistrées au repos soit avec les yeux ouvert, ou les yeux fermées, nous nous sommes par la suite intéressés à la possibilité de trouver un marqueur qui combinerait ces enregistrements. La troisième étude originale explore donc l’utilité des modulations de l’amplitude spectrale entre yeux ouverts et fermées comme prédicteur de schizophrénie. Les résultats de ces études démontrent des changements cérébraux importants chez les patients schizophrènes au niveau de la dynamique d’invariance d’échelle. Elles suggèrent une dégradation du traitement temporel de l’information chez les patients, qui pourrait être liée à leurs symptômes cognitifs et comportementaux. L’approche multimodale de cette thèse, combinant la magétoencéphalographie, analyses non-linéaires et apprentissage machine, permet de mieux caractériser l’organisation spatio-temporelle du signal cérébrale au repos chez les patients atteints de schizophrénie et chez des individus sains. Les résultats fournissent de nouvelles preuves supportant l’hypothèse d’une « disconnectivité temporelle » en schizophrénie, et étendent les recherches antérieures, en explorant la contribution des structures cérébrales profondes et en employant des mesures non-linéaires avancées encore sous-exploitées dans ce domaine. L’ensemble des résultats de cette thèse apporte une contribution significative à la quête de nouveaux biomarqueurs de la schizophrénie et démontre l’importance d’élucider les altérations des propriétés temporelles de l’activité cérébrales intrinsèque en psychiatrie. Les études présentées offrent également un cadre méthodologique pouvant être étendu à d’autres psychopathologie, telles que la dépression., Psychiatric disorders affect nearly a quarter of the world’s population. These typically bring about debilitating behavioural, functional and/or cognitive problems, for which the underlying neural mechanisms are poorly understood. These symptoms can significantly reduce the quality of life of affected individuals, impact those close to them, and bring on an economic burden on society. Hence, targeting the baseline neurophysiology associated with psychopathologies, by identifying more robust biomarkers, would improve the development of effective treatments. The first goal of this thesis is thus to contribute to a better characterization of neural dynamic alterations in mental health illnesses, specifically in schizophrenia and mood disorders. Accordingly, the first chapter of this thesis presents two systematic literature reviews, which investigate the resting-state changes in brain connectivity in schizophrenia, depression and bipolar disorder patients. Great strides have been made in neuroimaging research in identifying alterations in functional connectivity. However, these two reviews reveal a gap in the knowledge about the temporal basis of the neural mechanisms involved in the disruption of information integration in these pathologies, particularly in schizophrenia. Therefore, the second goal of this thesis is to characterize the baseline temporal neural alterations of schizophrenia. We present two studies for which we hypothesize that the resting temporal dysconnectivity could serve as a key biomarker in schizophrenia. These studies explore temporal integration deficits in schizophrenia by quantifying neural alterations of scale-free dynamics using resting-state magnetoencephalography (MEG) data. Specifically, we use (1) long-range temporal correlation (LRTC) analysis on oscillatory activity and (2) multifractal analysis on arrhythmic brain activity. In addition, we develop classification models (based on supervised machine-learning) to detect the cortical and sub-cortical features that allow for a robust division of patients and healthy controls. Given that these studies are based on MEG spontaneous brain activity, recorded at rest with either eyes-open or eyes-closed, we then explored the possibility of finding a distinctive feature that would combine both types of resting-state recordings. Thus, the third study investigates whether alterations in spectral amplitude between eyes-open and eyes-closed conditions can be used as a possible marker for schizophrenia. Overall, the three studies show changes in the scale-free dynamics of schizophrenia patients at rest that suggest a deterioration of the temporal processing of information in patients, which might relate to their cognitive and behavioural symptoms. The multimodal approach of this thesis, combining MEG, non-linear analyses and machine-learning, improves the characterization of the resting spatiotemporal neural organization of schizophrenia patients and healthy controls. Our findings provide new evidence for the temporal dysconnectivity hypothesis in schizophrenia. The results extend on previous studies by characterizing scale-free properties of deep brain structures and applying advanced non-linear metrics that are underused in the field of psychiatry. The results of this thesis contribute significantly to the identification of novel biomarkers in schizophrenia and show the importance of clarifying the temporal properties of altered intrinsic neural dynamics. Moreover, the presented studies offer a methodological framework that can be extended to other psychopathologies, such as depression.

The brain consists of spatially distinct areas, which underlie different aspects of human behavior. Using advanced neuroimaging technology and neurocomputational analysis methods, researchers have been able to uncover the functional roles of many of these areas and how they are interconnected both structurally and functionally to produce actions, sensations and cognitions which allow us to navigate our lives. In more recent years, it has been discovered that these brain networks also underlie the healthy functioning of the brain while it is at rest, i.e. awake but not performing any explicit or goal-directed tasks. Changes in these resting-state networks (RSNs) have been implicated in a number of neurological and psychiatric disorders, indicating that their degradation may play a role in the diverse loss of sensory, motor or cognitive functions associated with these.In this thesis, we introduce some new guidelines for capturing the electrophysiology of RSN structures using magnetoencephalography (MEG), a non-invasive neuroimaging technique which directly measures the magnetic fields associated with the synchronized electrical neural activity underlying these connections. Using MEG, we are able to consider these complex communication structures with great spatial and temporal resolution and probe how they are altered in multiple sclerosis (MS), a disease defined in part by both the degradation of the structures connecting different brain areas and by impairments across a wide spectrum of cognitive functions. However, in order to achieve this, there are methodological and analytical issues that must be dealt with.This thesis is separated into three introductory chapters and three research chapters. The introductory chapters outline the relevant theoretical bases that are not covered in the specific research chapters, while each of the research chapters contain a study undertaken as part of the thesis. Additionally, some research chapters start with an additional introductory prologue which expands on relevant ideas or concepts that are used but not fully explained in the corresponding papers.This thesis contains three empirical studies. In the first, we investigated the differential impact of source reconstruction methods and MEG system type on resting state functional connectivity (rsFC). The results showed that the choice of source reconstruction algorithm has a substantial impact on the uncovered rsFC in the posterior default mode network (DMN). Specifically, this was shown to be due to a suppression of the source activity in this region when using a Beamformer rather than minimum norm estimation (MNE) for source reconstruction. Through exploring this effect this we also made a novel discovery about a linear synchronization structure within the posterior DMN. This also led us to recommend the use of MNE when conducting MEG rsFC studies involving the DMN, representing a novel and important result regarding best practice recommendations for the field as a whole and for the subsequent studies in this thesis.In the second study, we set out to distinguish intrinsic, i.e. task-invariant, and extrinsic, i.e. task-dependent, functional connectivity (FC) using a large data set containing MEG data from more than a hundred participants acquired during several different tasks with multiple task levels, as well as during rest, We were able to demonstrate that the human brain operates using two distinct modes of neuronal integration in parallel, i.e. intrinsic FC in the form of amplitude FC and extrinsic FC in the form of phase FC. These results are important both in that they establish a new conceptual framework for functional integration in the human brain and in that they highlight a potentially fuzzy distinction between resting-state and task-related FC, which can be better approached using this novel intrinsic/extrinsic formulation. Having established the existence of an intrinsic functional integration structure in amplitude FC among brain regions, in the third study we investigated how amplitude rsFC is altered in brain disease, here represented by patients with MS. We showed that patients with MS display specific alterations in amplitude FC, particularly involving the DMN and sensorimotor (SMN) networks, compared to healthy participants. Additionally, we showed that the degree of disease-related physical disability was associated with specific motor-related amplitude rsFC changes, and that variations in cognitive task performance and neuropsychological scores were different between patients and healthy subjects on scores which were significantly different between the groups. These results demonstrate the ability of intrinsic/amplitude FC to characterize functional changes in clinical populations that are associated with specific disability-related and neuropsychological outcomes., Le cerveau se compose de différentes zones fonctionnelles spatialement distinctes, qui sous-tendent différents aspects du comportement humain. En utilisant une technologie avancée de neuroimagerie et des méthodes d'analyse neurocomputationnelle, les neuroscientifiques ont caractérisé les rôles fonctionnels d’un bon nombre de structures cérébrales (i.e. la spécialisation fonctionnelle) et comment elles sont interconnectées à la fois structurellement et fonctionnellement (i.e. l’intégration fonctionnelle) pour produire les actions motrices, les sensations et les fonctions cognitives qui nous permettent de naviguer dans nos vies. Ces dernières années, les techniques de neuroimagerie ont également démontré que ces réseaux cérébraux fonctionnels sous-tendent également le bon fonctionnement du cerveau lorsqu'il est « au repos », c'est-à-dire qu'il n'effectue aucune tâche explicite ou ciblée. Des modifications de ces réseaux « de l’état de repos » (RSN) ont été impliquées dans un certain nombre de pathologies neurologiques ou psychiatriques, indiquant que leur altération peut jouer un rôle dans les déficits de fonctions sensorielles, motrices ou cognitives présentées par les patients.Dans cette thèse, nous introduisons de nouvelles lignes directrices pour investiguer l'électrophysiologie des RSN à l'aide de la magnétoencéphalographie (MEG), une technique de neuroimagerie non invasive qui mesure directement les champs magnétiques associés à l'activité neuronale électrique. Nous avons premièrement déterminé comment les choix méthodologiques au niveau de la reconstruction de sources en MEG influence les résultats de l’estimation de l’intégration fonctionnelle cérébrale. Ensuite, nous avons été en mesure d’étudier l’intégration fonctionnelle au sein des RSNs avec une grande résolution spatiale et temporelle, et ainsi, de déterminer les processus neurophysiologiques à l’origine de l’intégration fonctionnelle « intrinsèque » (i.e. indépendante d’une tâche ou de ce que le sujet fait) et « extrinsèque » (i.e. influencée ou modulée par une tâche). Nous avons démontré que l’intégration fonctionnelle intrinsèque repose sur le couplage de l’enveloppe (ou amplitude) de l’activité rythmique cérébrale alors que l’extrinsèque repose sur le couplage de phase de cette activité. Enfin, nous avons déterminé comment l’intégration fonctionnelle intrinsèque est altérée dans la sclérose en plaques (SEP), une maladie caractérisée en partie par la dégradation des connexions reliant différentes zones cérébrales et par des altérations variables des fonctions cognitive. Nous avons pu démontrer que le handicap moteur et certains troubles cognitifs (fatigue, cognitiven fluence verbale) sont associés à des altérations de l’intégration fonctionnelle intrinsèque de RSNs spécifiques., Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine), info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.

La leucémie lymphoblastique aiguë est la forme la plus fréquente de cancer chez l’enfant. Aujourd’hui le taux de survie à ce cancer est très élevé, notamment en raison de l’efficacité des protocoles de traitement contemporains. Toutefois, malgré ce taux de survie élevé, plusieurs études soulignent la présence de troubles neurocognitifs, d’atteintes neuroanatomiques et de particularités neurofonctionnelles dans cette population, suite aux traitements. Ces atteintes peuvent affecter la qualité de vie ainsi que la réussite scolaire et professionnelle des survivants. L’objectif de cette thèse était de préciser le profil neurocognitif et d’étudier le fonctionnement neuronal de survivants de la LLA pédiatrique. La thèse est composée de trois articles, soit une revue de littérature et deux articles empiriques. Le premier article visait à recenser les difficultés neurocognitives et neuroanatomiques existantes chez les survivants de la LLA pédiatrique. Cette revue confirme que de nombreuses atteintes ont été identifiées dans cette population. Sur le plan neurocognitif, les atteintes les plus fréquemment rapportées sont des déficits des fonctions exécutives et attentionnelles. La mémoire à court terme s’avère être une fonction particulièrement touchée. Sur le plan neuroanatomique, la matière blanche cérébrale de la population survivante de LLA semble également être altérée. De plus, les atteintes paraissent persister plusieurs années après la fin des traitements. Dans certains cas, les atteintes peuvent même prendre de l’ampleur au fil des années post-diagnostic. Toutefois, peu d’études ont été menées chez des survivants à long terme d’âge adulte, soit plus d’une décennie après le diagnostic. Dans notre second article, nous décrivons le profil neurocognitif d’une cohorte d’adolescents et d’adultes survivants de la LLA. Nos résultats suggèrent la présence fréquente de difficultés au niveau de la mémoire à court terme/mémoire de travail, de la fluidité verbale phonologique, de la flexibilité cognitive et de la coordination visuo-motrice. Nous avons également validé une batterie d’évaluation neurocognitive brève auprès d’une sous-population de la cohorte initiale, composée uniquement d’adultes : la batterie DIVERGT. Nos résultats ont montré que la DIVERGT permettait de prédire avec précision le rendement intellectuel global, la performance en mathématiques et la performance en mémoire verbale. La batterie présentait une sensibilité et une spécificité acceptable, ainsi qu’une excellente valeur de prédiction négative, permettant de dépister les difficultés dans plusieurs domaines neurocognitifs. Ainsi, la batterie de dépistage pourrait facilement être utilisée dans le cadre des examens de routine chez les adultes survivants de la LLA et ainsi améliorer la qualité du suivi à long terme chez ces patients. Enfin, comme les difficultés neurocognitives en mémoire à court terme/mémoire de travail sont fréquentes, nous avons utilisé la magnétoencéphalographie (MEG) afin d’étudier le fonctionnement neuronal sous-jacent à la mémoire à court terme visuelle (MCTv) dans cette population d’adultes survivants de la LLA. En comparant les données des survivants à celles d’un groupe contrôle, nous avons cherché à mettre en lumière toute différence dans l’activation cérébrale générée lors d’une tâche de MCTv dans notre population clinique. Nos résultats ont montré que la performance en MCTv était similaire entre les survivants de la LLA et le groupe contrôle. Toutefois, une activation cérébrale atypique a été observée dans plusieurs régions cérébrales. Les survivants de la LLA présentaient une activation accrue dans la région occipitale latérale et les gyri précentraux et post-centraux, des régions habituellement associées à la MCTv. Une augmentation a aussi été observée dans certaines régions moins impliquées dans la MCTv, soit les régions temporales supérieure et médiane ainsi que le gyrus supramarginal. Une sous-activation de la région frontale inférieure a également été observée. Ces résultats pourraient suggérer l’existence de processus neuronaux compensatoires chez les survivants de la LLA. Ces processus leur permettraient d’obtenir une performance similaire à celle d’individus qui n’ont pas d’historique de traitement liés au cancer. En dernier lieu, nous avons montré que les patrons d’activation étaient modulés par l’âge d’apparition de la maladie, un facteur de risque important pour le développement de difficultés neurocognitives. Effectivement, l’activité cérébrale était réduite dans plusieurs régions chez les individus plus jeunes au moment du diagnostic. Ces résultats tendent à souligner l’importance d’étudier le fonctionnement neurocognitif et neuronal d’adultes survivants de la LLA, ainsi que les facteurs pouvant moduler leur efficacité., Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most prevalent cancer in children. Today, the survival rate of ALL is very high, mainly because of the efficiency of contemporary treatment protocols. However, several studies report neurocognitive deficits, neuroanatomical damage and neurofunctional particularities in that population. These deficits can affect quality of life as well as academic and professional achievement. The aim of the present thesis was to study the neurocognitive profile and neuronal functioning of survivors of ALL. This thesis includes three articles, one review article and two empirical articles. Our first article aimed at summarizing frequent neurocognitive difficulties and neuroanatomical damage present in ALL survivors. Our review shows that several deficits are seen in that population. Regarding cognition, executive difficulties are the most frequently reported. Amongst them, short-term memory is one of the most affected neurocognitive function. Regarding neuroanatomical damages, cerebral white matter integrity is frequently altered in that population. Moreover, these difficulties persist many years after the end of treatments. In some cases, the gravity of these deficits can even increase with passing years after diagnosis. Nevertheless, few studies have investigated long-term adult survivors, more than a decade after diagnosis. Our second article first describes the neurocognitive profile of a cohort of adolescent and adult ALL survivors. Our results suggest a high incidence of deficits in working memory, phonological verbal fluency, cognitive flexibility and visuo-motor coordination. We also aimed at validating a brief neurocognitive screening procedure in a sub-population of the same cohort, composed uniquely of adult ALL survivors: the DIVERGT screening procedure. Our results showed that the DIVERGT accurately predicted general intellectual functioning, mathematics and verbal memory. The procedure had acceptable sensitivity, specificity, and excellent negative predictive value (NPV) for the screening of difficulties in multiple neurocognitive domains. Therefore, the DIVERGT could easily be used during routine examination in adult ALL survivors and, improve the quality of cancer related long-term follow-up. Because deficits in short-term memory/ working memory are frequent in ALL survivors, we investigated neural correlates of visual short-term memory (VSTM) in that population, using magnetoencephalography (MEG) as part of our third article. Comparing ALL survivors results with healthy subjects, we aimed at uncovering VSTM related brain activation anomalies in our clinical population. Our results showed that performance in VSTM was similar between controls and survivors. However, atypical brain activation was found in multiple brain regions in ALL survivors. They displayed an over activation of regions that are usually involved in VSTM: lateral occipital, precentral and postcentral gyri, as well as regions that are not usually involved in VSTM: superior and middle temporal region and supramarginal gyrus. A sub-activation of the inferior frontal region was also found. Our results suggest the existence of compensatory neural mechanisms in ALL survivors, allowing them to perform as healthy subjects. Last, we showed that these patterns of activation were modulated by the age of onset, a well-known risk factor for the development of neurocognitive deficits. Activity was reduced in participants who were younger at the time of diagnosis. Altogether, these results highlight the importance of studying neurocognitive and neuronal functioning in ALL survivors, as well as the factors that can modulate their efficacy.

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.

The reconstruction of the neuronal current inside the human brain from magnetic flux density (MEG) and electric potential (EEG) measurements is an important tool for understanding the functioning of the brain and for diagnosing brain diseases, such as epilepsy. One partly unanswered question, which is extensively discussed in the literature, is about the non-uniqueness of the related inverse problems. We investigate this question in the context of the multiple-shell model, which assumes nested spherical geometries. We derive novel integral equations describing the inverse problems, which require less a-priori assumptions on the current than former approaches and map the entire vector-valued current onto the data instead of certain scalar functions. A novel decomposition of the current based on an orthonormal basis system is presented, which yields singular value decompositions of the integral operators with exponentially fast decreasing singular values. Therewith, we complete the existing non-uniqueness considerations, which includes a characterization of the measurable radial part of the neuronal current: only the harmonic solenoidal part of the current can be measured via the MEG and EEG devices. For the numerical solution of these severely ill-posed problems, regularization methods are required. We use the regularized Ritz method, scalar splines, novel vector reproducing kernel based splines, and the regularized (orthogonal) functional matching pursuit (ROFMP) algorithm, which was developed by the Geomathematics Group Siegen within the last years. We improve convergence results of the RFMP and introduce novel Sobolev norms as penalty terms. The good and stable numerical results of the vector spline method are outperformed by the ROFMP in non-noisy and noisy synthetic test cases. Finally, we apply the ROFMP to real measurement data. Die Rekonstruktion des menschlichen Hirnstroms aus Messungen der magnetischen Fluss-dichte (MEG) und des elektrischen Potentials (EEG) ist ein wichtiges Mittel, um die Arbeitsweise des Gehirns zu verstehen und um Krankheiten wie Epilepsie zu diagnostizieren. Die Frage nach der Nichteindeutigkeit des zugehörigen inversen Problems ist nicht vollständig beantwortet, obwohl sie ausgiebig diskutiert wird. Diese Frage wird im Rahmen des Mehrschalenmodells untersucht, welches aus konzentrisch angeordneten sphärischen Schalen besteht. Wir leiten neue Integralgleichungen für das Modell her, die weniger A-priori-Voraussetzungen benötigen als bisherige Ansätze. Anstatt nur gewisser skalarer Anteile, bilden diese den kompletten vektoriellen Hirnstrom auf die Daten ab. Wir stellen eine neue Entwicklung des Hirnstroms basierend auf einem orthonormalen Basissystem vor, die zu einer Singulärwertzerlegung mit exponentiell schnell abfallenden Singulärwerten führt. Damit kann die Frage der Nichteindeutigkeit wie auch die Frage nach dem messbaren Anteil der Radialkomponente des Stroms vollständig beantwortet werden. Nur der solenoidale und harmonische Anteil des Hirnstroms kann aus MEG- und EEG-Daten rekonstruiert werden. Um beide exponentiell schlecht gestellten Probleme numerisch zu lösen, sind Regularisierungsverfahren notwendig. Neben dem regularisierten Ritz-Verfahren, einer skalaren Spline Methode und einem speziell für das EEG-Problem auf Basis von reproduzierenden Kernen entwickelten vektoriellen Spline-Verfahren testen wir den in den letzten Jahren von der Arbeitsgruppe Geomathematik der Universität Siegen entwickelten regularized functional matching pursuit (RFMP) und seine Weiterentwicklung, den regularized orthgonal functional matching pursuit (ROFMP). Wir verbessern die Konvergenzresultate des RFMP und führen neue Sobolevnormen als Strafterm ein. Mittels vektorieller Splines können gute und stabile numerische Ergebnisse erzielt werden, die vom ROFMP sowohl bei unverrauschten als auch bei verrauschten synthetischen Tests übertroffen werden. Abschließend wird der ROFMP für die Inversion realer Datensätze verwendet.

Die vorliegende experimentelle Arbeit hatte die Untersuchung der diskriminatorischen Reizverarbeitung, Lateralität und interhemisphärischer Inhibitionsprozesse im somatosensorischen System zum Gegenstand. Dazu wurden magnetoenzephalografische Messungen an gesunden Probanden durchgeführt, wobei nach taktiler Stimulation beider Zeige- und Mittelfinger somatosensorisch evozierte Felder (SEF) des primär somatosensorischen Kortex (S1) abgeleitet wurden. Die Studie erbrachte neue Erkenntnisse über die Beeinflussung der SEF einer Hand durch zusätzliche Stimulation der anderen Hand. In die Untersuchung konnten 24 gesunde Probanden eingeschlossen werden, die dem Edinburgh Handedness Inventory (EHI) zufolge ausnahmslos rechtshändig waren. Den Teilnehmern wurden über Luftdruckstimulatoren Berührungsreize an den Fingerbeeren der Zeige- und Mittelfinger beider Hände appliziert, wobei die sensorische Reizung der Finger einzeln und in pseudorandomisierter Reihenfolge erfolgte. Die vorgelegte Untersuchung zeigt, dass sich der Reduktionsmechanismus in Diskriminationsaufgaben innerhalb des mechanosensiblen Systems bei bilateraler taktiler Reizung im MEG abbildet - und zwar sowohl an der rechten, hier dominanten als auch - erstmals - an der linken, hier subdominanten Hand. Die Resultate untermauern den der Signalminderung zugrunde liegenden Mechanismus der lateralen Inhibition als global wirkendes Funktionsprinzip der somatosensorischen Reizverarbeitung. Die Ergebnisse bestätigen weiterhin den weitaus größeren Einfluss der Ausführung einer Diskriminationsaufgabe auf die primären SEF der rechten im Vergleich zur linken Hand und stützen die Hypothese einer vermehrten lateralen Inhibition bei Reizdiskrimination am rechten Zeige- und Mittelfinger. Eine Signalminderung aufgrund einer - von der zusätzlich stimulierten Gegenseite ausgehenden - interhemisphärischen Inhibition (IHI) konnte hingegen nicht nachgewiesen werden.

Durch Aufzeichnung kortikaler Aktivitäten konnten bereits Erkenntnisse über die zeitliche und räumliche Repräsentation der Emotionsverarbeitung gewonnen werden. Sind bestimmte Erregungsmuster der Neurone, bestimmte Aktivitäten über einzelnen kortikalen Regionen einer bestimmten Emotion aufgrund der anatomisch lokalisierbaren Prozessierung zuordenbar? Für die Untersuchungen wurden EEG und MEG kombiniert, wobei sich finale Analysen auf die Magnetometer beschränkten. Insgesamt konnten 18 Probanden in die MEG- Datenauswertung eingeschlossen werden. Als visuelle Stimuli wurden 180 IAPS Bilder ausgewählt, je 60 Bilder der Kategorie pleasant, neutral, unpleasant. Es konnten Unterschiede in den Power Spektren emotionaler Stimuli gefunden werden: Eine höhere delta Power erreichten unpleasant Stimuli im Vergleich zu pleasant (100-300 ms) und in Kontrast zu neutral (300-400 ms). Im theta Frequenzbereich zeigte sich u.a. eine höhere Power für unpleasant Stimuli verglichen mit pleasant (150-300 ms). Eine höhere gamma Power bildete sich für unpleasant Stimuli im Vergleich zu pleasant ab (50-300 ms). Im alpha Frequenzbereich ergab sich eine höhere Power für pleasant Stimuli verglichen mit neutral (250-400 ms). In Hinblick auf die Dimension arousal zeigten sich höhere Power Spektren für high-arousal Stimuli in Kontrast zu low-arousal im delta und theta Frequenzbereich (300-400 ms). Die 6 Magnetometer mit den höchsten EKF-Differenzen für die untersuchten Konditionen lagen temporoparietal über der rechten Hemisphäre. Zudem erfolgte die statistische Auswertung der subjektiven Bewertungen der IAPS Bilder, hierbei haben sich folgende statistisch signifikante Unterschiede ergeben: Für das als pleasant klassifizierte Bildmaterial in arousal/dominance, für neutral Bilder in allen drei Dimensionen und für das als unpleasant katalogisierte Bildmaterial in valence/dominance. Zusammenhänge zwischen den 3 Dimensionen stellten sich graphisch illustriert am anschaulichsten zwischen valence/arousal für emotionale Kategorien dar.

Quirin Gehmacher Literaturverzeichnis: Blatt 39-46 Abstract in englischer Sprache Paris Lodron University of Salzburg, Masterarbeit, 2019 (VLID)5061257

eingereicht von: Juliane Schubert Literaturverzeichnis: Blatt 21-24 Zusammenfassung/Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2019 (VLID)5087628

eingereicht von: Patrick Reisinger Literaturverzeichnis: Blatt 28-34 Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2019 (VLID)5043262

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.

La mémoire sémantique (MS) contient l’ensemble de nos connaissances sur l’organisation et la signification du monde qui nous entoure. Elle supporte ainsi plusieurs opérations cognitives complexes, telles que la communication et le raisonnement, et joue un rôle déterminant à l’égard de notre bon fonctionnement au quotidien. Sur le plan neuroanatomique, la MS repose sur un réseau étendu de régions et de connexions, ce qui la rend particulièrement robuste au déclin neuronal. Elle représente d’ailleurs le seul système mnésique qui demeure stable au cours du vieillissement normal. En revanche, la présence d’un déclin sémantique précoce chez les personnes âgées est plutôt observée dans le contexte de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer (MA) et la variante sémantique de l’aphasie primaire progressive (APPvs). Or, les corrélats neurofonctionnels associés au déclin sémantique dans ces maladies demeurent à ce jour encore mal compris. En utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) comme méthode d’investigation, la présente thèse vise ainsi à explorer la dynamique cérébrale associée au traitement sémantique dans ces deux syndromes neurodégénératifs, afin de documenter, d’une part, les changements neurofonctionnels associés au déclin sémantique, et d’autre part, les mécanismes cérébraux de compensation fonctionnelle qui sont déployés afin de permettre un traitement résiduel lorsque l’intégrité du réseau sémantique est compromise. Cette thèse vise également à déterminer s’il existe des mécanismes de plasticité cérébrale communs dans ces deux maladies en lien avec la détérioration sémantique, et à amorcer une réflexion sur les potentielles implications cliniques de ces changements neurofonctionnels. Dans le contexte de l’atteinte subtile observée dans le stade prodromal de la MA, ces mécanismes cérébraux pourraient être indicateurs de l’installation d’un processus pathologique avant même l’émergence d’altérations structurelles significatives, leur conférant un intérêt face à l’établissement d’un diagnostic précoce. Dans le cas de l’APPvs, où l’atteinte en MS est franche, centrale et circonscrite, ces mécanismes pourraient être informatifs relativement à la capacité du réseau sémantique à se réorganiser afin de soutenir un traitement résiduel. Ils pourraient alors être utiles pour guider le choix des interventions (rééducatives ou palliatives) à privilégier auprès des patients. La première étude (chapitre 2), avait ainsi comme objectif de documenter les substrats cérébraux qui sous-tendent les troubles sémantiques dans le stade infraclinique de la MA (TCLa), au moyen d’une épreuve de jugement sémantique sur des visages célèbres. Cette étude a ainsi permis d’appuyer l’idée que l’altération cérébrale observée chez ces individus n’est pas limitée à la région hippocampique et qu’elle s’étend plutôt au sein de plusieurs régions du réseau sémantique élargi, incluant les lobes temporaux antérieurs (LTA). Ces résultats suggèrent également que le patron de dysfonctionnement neuronal observé chez ces patients précède l’émergence de changement structuraux au sein du réseau sémantique, et que les mécanismes de compensation fonctionnelle déployés pour soutenir le traitement sémantique plus fin associé aux visages célèbres chez ces patients reposent notamment sur la sollicitation accrue du LTA droit. La deuxième étude (chapitre 3) avait comme objectif de mieux comprendre les bases cérébrales du traitement sémantique résiduel dans le contexte d’une atteinte significative, mais sélective de la MS, à travers l’étude de cas d’une patiente atteinte d’APPvs. Au moyen d’une épreuve de catégorisation sémantique d’entités biologiques et d’objets manufacturés, cette étude a permis de mettre en évidence chez la patiente un patron d’hyperactivation au sein de régions-clé du réseau sémantique, s’étendant au gyrus temporal inférieur gauche et au LTA droit, en dépit d’une performance comportementale comparable à celle de personnes âgées saines. Dans l’ensemble, ces résultats soulignent l’implication des régions temporales péri-atrophiques dans le maintien de capacités résiduelles de traitement sémantique. Finalement, la dernière partie de la thèse (chapitre 4) est consacrée à une réflexion sur les implications cliniques et théoriques associées aux résultats de ces deux études, et permet également d’aborder les limites et perspectives futures en lien avec ces travaux., Semantic memory (SM) contains all of our knowledge of the organization and meaning of the world around us. It supports many complex cognitive operations such as communication and reasoning and plays a decisive role in our daily functioning. At the neuroanatomical level, SM relies on a widely distributed network, which makes it particularly resistant to neuronal decline. It is, in fact, the only memory system that is known to remain stable during normal aging. As a result, the presence of an early semantic decline in older adults is generally observed in a neurodegenerative context, such as in Alzheimer's disease (AD) and in the semantic variant of primary progressive aphasia (svPPA). However, the neurofunctional correlates associated with semantic decline in pathological aging remain to this day poorly understood. Therefore, the main objective of this thesis is to explore the cerebral changes associated with semantic processing in these two neurodegenerative diseases, using magnetoencephalography (MEG) as a method of investigation, in order to document the neurofunctional changes associated with semantic decline, as well as the functional compensatory brain mechanisms that are deployed to allow residual processing when the integrity of the semantic network is compromised. This thesis also aims to determine if common mechanisms of neural plasticity are at play to counteract the effects of semantic deterioration in these two diseases, and to initiate a reflection on the potential clinical implications of these neurofunctional changes. In the context of the subtle SM alterations observed in the prodromal stage of AD, these mechanisms could be reflective of the neuropathological decline even before the emergence of significant structural alterations, highlighting their relevance regarding an early diagnosis. In the case of manifest but relatively circumscribed alteration of SM, such as in svPPA, these mechanisms are informative of the capacity of the compromised semantic network to adjust in order to support residual processing, which can also be useful in deciding which interventions (rehabilitation, palliative) are likely to be most helpful for patients. The first study (chapter 2) is aimed to investigate the neural correlates underlying semantic disorders in the subclinical stage of AD (aMCI), using a semantic judgment task about famous faces. Our results support the assumption that the pattern of neural alterations observed in aMCI patients is not limited to the hippocampal region, as it extends within several regions of the extended semantic network, including the anterior temporal lobes (ATL). These results also suggest that the pattern of neural dysfunction observed in aMCI patients precedes the emergence of structural alterations within the semantic network, and that the compensatory mechanisms deployed to support the finer semantic processing associated with famous faces in these patients rely notably on an increased recruitment of the right ATL region. The second study (chapter 3) is aimed to better understand the neural correlates of residual semantic processing in the context of a significant but selective impairment of SM, through the single case study of a svPPA patient, using a semantic categorization task about biological entities and manufactured objects. Despite equivalent behavioral performance, this study revealed a pattern of significant hyperactivation within key regions of the semantic network in the svPPA patient in comparison with controls, extending to the left inferior temporal gyrus and right ATL region. Overall, these findings emphasize that peri-atrophic regions within the ATL may support remaining semantic abilities. Finally, the last chapter of this thesis (chapter 4) is dedicated to reflect on the clinical and theoretical implications associated with the results of these two studies. The limitations of this thesis and future perspectives are also addressed in this section.

Streamsegregation oder Streaming nennt man die Fähigkeit des Nervensystems, von verschiedenen Tonquellen ausgehende akustische Signale (Streams), die sich in mindestens einer ihrer Eigenschaften wie z.B. der Frequenz unterscheiden, voneinander trennen zu können. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind bislang in vielerlei Hinsichten unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden fünfzehn gesunden Probanden jeweils in einer Sitzung sowohl reine als auch amplitudenmodulierte Töne präsentiert. In verschiedenen Blöcken sollten die Versuchspersonen ihre Aufmerksamkeit entweder gezielt auf die Töne richten oder diese ignorieren Die Töne wurden als Tripletts bestehend aus alternierenden niederfrequenten (A-) und verschieden hohen (B-) Töne dargeboten. Die Stimulationssequenzen wurden so gewählt, dass sie eine eindeutige Wahrnehmung von Streaming (sehr hoher B-Ton) bzw. Non–streaming (weniger hoher B-Ton) hervorriefen. Streaming- und Non-streaming-Sequenzen waren in ihrer Reihenfolge randomisiert. Als abhängige Variablen wurden die Amplituden und Latenzen der P1m-, N1m- und P2m- Komponenten des B-Tons des Tripletts ausgewertet. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass sich die Wahrnehmung von Streaming im Vergleich zu Non-streaming in Veränderungen der verschiedenen Komponenten der neuronalen Korrelate widerspiegelt. Außerdem wird die Hypothese des Vorwärtsunterdrückungsmechanismus‘ unterstützt. Die Daten zeigen, dass die Encodierung der spektralen und temporalen Reizunterschiede, die die Wahrnehmung von Non-streaming bzw. Streaming hervorrufen, sich in den neuronalen Korrelaten abbildet. Dies unterstützt die Theorie, dass abgesehen von peripheren Mechanismen zentrale Mechanismen für die Wahrnehmung von Streaming eine Rolle spielen. Erstmals beschrieben wurde ein Doppelpeak der P1m-Komponente bei amplitudenmodulierten Tönen bei der Wahrnehmung von Streaming. Es konnte bestätigt werden, dass die Aufmerksamkeit der Probanden und der Kontext die neuromagnetischen Korrelate der Streamsegregation modulieren. Abschließend konnte eine Tendenz der Dominanz der rechten Hemisphäre in der Verarbeitung spektraler und der linken in der Verarbeitung temporaler Komponenten festgestellt werden. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Phänomens der Streamsegregation und damit des auditorischen Systems bei.

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.

Le but de ce travail a été d’étudier le couplage entre la cinématique du mouvement et l’activité neuromagnétique du cerveau humain, de comprendre les mécanismes neuronaux à la base de ce couplage, et d’essayer de répondre, notamment grâce à l’utilisation de la cohérence cortico-cinématique, à un certain nombre de questions posées par le traitement de la cinématique d’un mouvement des doigts (exécuté ou observé) par le cerveau.Ce travail de thèse de doctorat démontre en 5 études originales que(i) la fréquence de mouvement n’a pas d’impact sur le niveau de couplage ni sur la localisation de la source principale de ce couplage pendant des mouvements volontaires des doigts (étude I), (ii) la cinématique de mouvements (dirigés vers un but) observés de la main d’autrui est couplée à l’activité du cerveau de l’observateur dans la partie postérieure du gyrus temporal supérieur droit, les lobules supra temporaux et cortex SM1 bilatéraux de la même manière que durant l’exécution d’un mouvement similaire (étude II),(iii) l’amplitude de la bande β des cortex SM1 bilatéraux est modulée par la cinématique de mouvements répétitifs de la main dirigés vers un but, et ce, de la même manière lors de l’exécution où de l’observation de cette action. Cette modulation ne semble pas être liée au phénomène de CKC (étude III), (iv) Ce couplage est réduit de manière significative chez les patients souffrant d’ataxie de Friedreich et ce, tant pour des mouvements actifs que passifs, ce qui apporte de nouvelles évidences en faveur du rôle prépondérant des afférences proprioceptives dans le phénomène CKC. De plus, la CKC corrèle de manière significative avec l’expansion de triplet GAA1 et pas avec les scores cliniques SARA plaidant ainsi pour une altération génétiquement déterminée et stable des afférences proprioceptives dans la maladie de Friedreich (étude IV),(v) l’activité magnétique du lobe postérieur du cervelet ipsilatéral au mouvement est couplée avec la cinématique de ce mouvement sans influence de la fréquence du mouvement (étude V)., Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine), info:eu-repo/semantics/nonPublished

eingereicht von Fabian Schmidt Literaturverzeichnis: Blatt 22-26 Zusammenfassung/Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2018 (VLID)5003120

eingereicht von Florian Geyer Literaturverzeichnis: 24-27 Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron Universität Salzburg, Masterarbeit, 2018 (VLID)5028753

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.

Neuronale elektrische Aktivität ist ein wesentlicher Aspekt der menschlichen Gehirnfunktion. Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetenzephalographie (MEG) sind zwei wichtige Techniken, die die Untersuchung dieser Aktivität ermöglichen. Deren Aufzeichnung und Auswertung kann durch Artefakte erschwert werden, was zur Verzerrung der neurophysiologischen Signale führt. Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, die Charakteristika verschiedener Artefakte zu untersuchen, die zum einen während simultaner Messungen von EEG und Magnetresonanztomographie (MRT) entstehen, und zum anderen bei MEG-Messungen während hochfrequenter Tiefenhirnstimulation auftreten. Es konnte ein Ansatz zur Bereinigung dieser Artefakte entwickelt werden, der auf der Kombination der \(\textit {independent component analysis}\) und der \(\textit {mutual information}\) beruht. Somit liefert diese Arbeit eine Methode, um neurophysiologische Signale auch aus stark Artefakt belasteten Daten wiederherzustellen und weitergehende Analysen zu ermöglichen.

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.

Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist durch die Degeneration des ersten und zweiten Motoneurons charakterisiert, jedoch existieren zunehmend Hinweise auf einen systemischen Charakter. So wurden kognitive Dysfunktion, Sensibilitätsstörungen und Veränderungen sensorischer Fasern beobachtet. Im Vordergrund stehen Untersuchungen zu somatosensorisch evozierten Potentialen (SEP), die bisherigen Ergebnisse sind kontrovers. Die Magnetenzephalographie (MEG) ist eine hochauflösende Untersuchungsmethode, die die durch zerebrale Aktivität generierten Felder aufzeichnet. Ziel der Arbeit ist die Darstellung der kortikalen Antwort nach elektrischer Medianus- und mechanischer Fingerbeerenstimulation und Erfassung von Störungen der sensomotorischen Integration bei ALS- Patienten. Hierzu wurden 31 ALS-Patienten und 29 Kontrollpersonen eingeschlossen und SEPs beider Körperhälften via MEG erfasst. Statistisch signifikant stellte sich eine größere Signalamplitude der Kontrollpersonen im Vergleich zu den Patienten nach Reizung des rechten Zeigefingers dar. Die kortikalen Antworten nach Medianusstimulation traten im kontralateralen S1 und S2 auf. Nach Medianusreizung links imponierte eine signifikant höhere Antwort der Patienten mit bulbärem Onset, ähnliche Ergebnisse wurden zuvor demonstriert. Zusammenfassend scheint das sensorische System bei ALS-Patienten auf Kortexebene nicht vollständig intakt zu sein; minimale Veränderungen können wertvolle Informationen für das Verständnis der Erkrankung liefern.

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.

eingereicht von Valentina Oštreljanović, Bsc Literaturverzeichnis: Blatt 33-40 Zusammenfassung/Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2017 (VLID)4954783

eingereicht von Christian Bako, B. Sc Literaturverzeichnis: Blatt 31-34 Zusammenfassung/Abstract in deutscher und englischer Sprache Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2017 (VLID)4973673

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.

Résumé (FR)Cette thèse s’articule autour de cinq études ayant pour objectif principal de tenter de mieux comprendre les processus de plasticité cérébrale prenant place après un apprentissage, ainsi que les modifications apparaissant au cours du vieillissement normal. La magnétoencéphalographie (MEG) et l’électroencéphalographie (EEG) ont été utilisées pour investiguer les mécanismes électrophysiologiques de la consolidation en mémoire procédurale et déclarative durant la veille et le sommeil, chez des personnes jeunes et âgées en bonne santé. L’ensemble de nos études indique un déclin de la plasticité cérébrale avec l’âge, ainsi qu’une réorganisation différenciée en fonction de l’âge des réseaux cérébraux impliqués dans les premières étapes de la consolidation en mémoire. L’acquisition de nouvelles habiletés motrices chez les personnes âgées dépend davantage de réseaux neuronaux sous-tendant des processus attentionnels et de contrôle cognitif. Le recrutement de ces réseaux plus diffus et non spécifiques à la tâche d’apprentissage chez les personnes âgées semble défavorable au développement d’une nouvelle habileté motrice. Cependant, le recrutement chez les personnes âgées d’un réseau cortico-striatal spécifique à l’apprentissage moteur pourrait être favorable à la consolidation en mémoire procédurale. Ces résultats soulignent l’existence d’une grande variabilité interindividuelle dans le vieillissement, qui ouvre des perspectives quant aux processus favorisant le maintien versus contribuant au déclin des capacités de consolidation en mémoire avec l’âge., (EN)The 5 studies presented in this doctoral thesis aimed at better understanding post-learning cerebral plasticity process, and the cerebral changes that occur during normal ageing. Magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) techniques were used to investigate the electrophysiological mechanisms of procedural and declarative memory consolidation during awakening and sleep in young and old healthy adults. Altogether, our studies highlight reduced experience-dependent plasticity in the aging brain, and the age-dependent reorganization of large-scale functional networks involved in the early stages of memory consolidation. With aging, new motor skills acquisition depends more on neuronal networks subtending controlled and attentional processes. These networks are unspecific to the motor learning task, and their involvement in old adults is negative for the development of a new motor skill. However, the involvement of a learning-related cortico-striatal network in old adults promotes procedural memory consolidation. These results indicate high inter-subjects variability in ageing, and open new perspectives to understand the memory consolidation processes that contribute to the maintenance versus the decline of newly learned information., Doctorat en Sciences psychologiques et de l'éducation, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Neugeborene zeigen beim Hören kognitive Fähigkeiten und bevorzugen bekannte Geräusche wie die Stimmen ihrer Eltern. Außerdem kann die fetale Gehirnaktivität, die durch Sinustöne und auditorische Frequenzänderungen ausgelöst wird, mittels fetaler Magnetencephalographie (fMEG) dargestellt werden. Diese Studie sollte zeigen, dass Feten fähig sind auf den unterschiedlich schnellen Anstieg der Hüllkurve zu Beginn des Stimulus, was unterschiedlichen Modulationsraten entspricht, zu erkennen und darauf zu reagieren. Dafür wurden akustische Stimuli mit komplexen sensorischen Zeitstrukturen (amplitudenmodulierte Töne) verwendet. Die akustischen Stimuli wurden mit konstanter Tonfrequenz, aber mit unterschiedlichen Modulationsraten präsentiert. Als Voraussetzung kann davon ausgegangen werden, dass die späten transienten akustisch evozierten Reaktionen (AER) zu Beginn des Reizes die Reaktion des fetalen Gehirns auf schnelle und langsame zeitliche Veränderungen des Reizbeginns widerspiegelt. Die Messungen der fetalen Hirnantwort wurden mittels fetaler Magentencephalographie (fMEG) durchgeführt. Dafür wurden fünfzig schwangere Frauen zwischen der 30. und 40. Schwangerschaftswoche mit dem fMEG gemessen. Es gab sieben verschiedene Gruppen von Stimuli. Der amplitudenmodulierte Ton hatte immer eine Trägerfrequenz von 500 Hz und wurde in verschiedenen Frequenzen moduliert. Dabei repräsentierten 2 Hz und 4 Hz die niedrigen Modulationsraten, 8 Hz die mittlere Modulationsrate und 27, 42, 78 und 91 Hz die hohen Modulationsraten. Es wurde eine signifikante Verkürzung der Antwortlatenzen der transienten AERs bei hohen und mittleren Modulationsraten beobachtet, verglichen mit den niedrigen Modulationsraten. Mit den akustisch evozierten Antworten lassen sich jedoch keine Unterschiede in der Reaktion auf zeitliche Schwankungen über 27 Hz mehr darstellen. Die höchste Antwortrate wurde bei Modulationsraten von 8 Hz, 27 Hz und 78 Hz (80 %, 100% beziehungsweise 81 %) erzielt. Ein Reifungseffekt über die Schwangerschaft konnte nicht nachweisen werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass das fetale Gehirn schon in einem frühen Entwicklungsalter (ab der 30. Schwangerschaftswoche) zu höhergradigen kognitiven Leistungen in der Lage ist, da eine differenzierte Verarbeitung von komplexen Tönen möglich ist. Die signifikanten Unterschiede der Antwortlatenzen zwischen niedrigen, mittleren und hohen Modulationsraten könnten darauf hindeuten, dass das fetale Gehirn die Veränderung der Schallintensität zu Beginn des Stimulus in unterschiedliche Zeitfenster aufteilt. Das könnte die Hypothese unterstützen, dass Feten zum Erkennen und Verarbeiten von Geräuschen nicht nur Änderungen in der Frequenz des Tones heranziehen, sondern auch auf Energieveränderungen beim Einsetzen des Stimulus reagieren. Die eingehenden auditorischen Informationen und die darauf folgende Verarbeitung fördert die kognitive Entwicklung und auch das Sprachverständnis des Fetus bereits in der frühen Schwangerschaft. Dies ermöglicht dem neugeborenen Kind ein rasches Erlernen der Kommunikationsfähigkeit, welche einen hohen Stellenwert in der zwischenmenschlichen Interaktion hat und so dem Kind eine gute soziale und emotionale Entwicklung ermöglicht.

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.