Soutenance - Lier les données neurophysiologiques aux fonctions cognitives : développements méthodologiques et applications - 21 juin 2016
Soutenance de thèse
Lier les données neurophysiologiques aux fonctions cognitives : développements méthodologiques et applications
Anne -Sophie DUBARRY
21 juin 2016 à 14h30 en salle des voutes sur le site de St Charles (bâtiment 9, Fédération 3C)
La soutenance de thèse sera suivie d’un pot auquel vous êtes tous chaleureusement conviés. Si vous le pouvez, confirmez-moi votre présence, cela m’aidera pour l’organisation. anne-sophie.dubarry@univ-amu.fr
Membres du jury : Virginie Van Wassenhove, Chercheure, CEA, Rapporteure Fabrice Wendling, Directeur de Recherche, INSERM, Rapporteur Pascal Belin, Professeur des Universités, Aix-Marseille Université Examinateur Christian Bénar, Chargé de Recherche (HDR), INSERM, Co-Directeur de thèse F.-Xavier Alario, Directeur de Recherche CNRS, Directeur de thèse
Résumé étendu : Le travail de cette thèse se situe à l’interface entre la Psychologie Cognitive et les Neurosciences. Plus particulièrement il s’intéresse à l’étude de la correspondance entre les fonctions cognitives et les mesures de l’activité cérébrale.
Un des enjeux majeurs de la Psychologie Cognitive est de décrire les grandes fonctions mentales, notamment chez l’humain. Dans ce contexte, le travail des chercheurs consiste notamment à proposer et à décrire un ensemble d’opérations mentales qui permettent à l’Homme de réaliser les activités du quotidien. Le résultat de cette description est souvent exprimé sous la forme d’un modèle cognitif. Ces modèles peuvent être décrits sur la base (structurelle) du type d’information qu’ils impliquent (visuelle, sémantique, lexical, phonologique, moteur, etc.) et également sur la base de leur organisation temporelle.
Du point de vue neuroscientifique, il s’agit de modéliser l’activité cérébrale pour en extraire les éléments et mécanismes spatio-temporels susceptibles d’être mis en correspondance avec les opérations cognitives. L’objectif principal des travaux de cette thèse a consisté à définir et mettre en œuvre des stratégies originales permettant de confronter les modèles cognitifs existants à des données issues d’enregistrements neurophysiologiques chez l’humain.
Il existe plusieurs techniques d’enregistrement de l’activité cérébrale. En particulier, la neurophysiologie fournit un ensemble de techniques qui permettent d’enregistrer directement les échanges électriques entre les neurones. L’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG) sont deux techniques d’enregistrement neurophysiologiques non-invasives. Elles permettent d’enregistrer respectivement le potentiel électrique et le champ magnétique induits par l’activité neuronale du cerveau dans son ensemble. Toutefois, pour passer des signaux collectés à la surface de la tête aux sources corticales, la résolution d’un problème inverse complexe est nécessaire. Or, cette opération dégrade souvent la spécificité spatiale des régions activées. De plus, ces techniques sont peu sensibles aux sources d’activités profondes, telle que celles générées par l’hippocampe par exemple. Enfin, bien que leur résolution temporelle soit de l’ordre de la milliseconde, le calcul de la moyenne de plusieurs essais (souvent utilisée pour augmenter le rapport signal à bruit) a tendance à diluer la dynamique temporelle des processus sous-jacents. Les questions nécessitant une fine résolution temporelle ne peuvent alors pas être traitées. Par exemple, celles concernant l’organisation temporelle des opérations cognitives.
L’électroencéphalographie intracérébrale (SEEG) est une technique d’enregistrement invasive. Elle est utilisée dans le cadre de l’évaluation pré-chirurgicale de l’épilepsie pour guider le geste chirurgical. Cette technique consiste à implanter dans plusieurs régions du cerveau des électrodes pour enregistrer avec précision des activités locales au plus près des structures cérébrales. Le signal collecté présente un très bon rapport signal sur bruit et une grande spécificité anatomique. En revanche, cette technique ne permet pas d’obtenir une vision d’ensemble de l’activité car elle est limitée aux régions d’implantation. Cette limitation est liée aux contraintes cliniques, car c’est la localisation des sources d’activité pathologiques qui définit les régions qui seront explorées.
À partir de ces observations, notre objectif a été de mettre en correspondance les opérations cognitives et l'activité neurale. Nous avons ainsi conçu et déployé un ensemble de stratégies visant à extraire, avec la meilleure résolution possible, la dynamique spatio-temporelle du traitement neural de l’information.
Dans une première étude nous nous sommes intéressés à l’architecture temporelle du modèle cognitif de la production du langage. Une tache simple, telle que dénommer un dessin, requiert plusieurs opérations mentales distinctes, débutant par la perception visuelle du dessin et terminant par l’articulation du mot. Ces opérations sont réalisées grâce à la mise en œuvre d’un ensemble de mécanismes cérébraux. La façon dont elles s’organisent dans le temps demeure à clarifier. Du point de vue conceptuel, nous avons démontré que la distinction entre les organisations classiques sériel-parallèle, doit être adressée au niveau des essais uniques et non sur la moyenne des signaux. Dans un nouveau cadre d’analyse nous avons : (1) associé l’activité de régions cérébrales à des opérations cognitives (basé sur la méta analyse de Price 2012) (2) extrait l’activité oscillatoire des signaux dans la bande de fréquence haut gamma (80-150 Hz) (3) pallié le problème de l’extension spatiale des enregistrements intracérébraux en intégrant les données de plusieurs patients (N=15) (4) défini une nouvelle métrique permettant de mesurer le degré de co-activation des régions au travers des essais. L’analyse des signaux des 15 patients a montré, par un faible degré de co-activation, que l’organisation temporelle de la dénomination de dessin n’est pas, au sens strict, parallèle.
Dans une deuxième étude nous nous sommes intéressés à l’organisation spatiale des sources d’activités cérébrales en combinant SEEG, EEG et MEG. Nous avons établi la faisabilité d’un enregistrement simultané de ces trois techniques en exploitant les signaux d’un patient qui exécute une tâche simple de perception visuelle. Au delà des corrélations entre les signaux moyens des trois techniques, cette analyse a révélé des corrélations plus fines, au niveau des essais uniques.
À travers deux approches expérimentales, cette thèse propose de nombreux développements méthodologiques et conceptuels originaux et pertinents. Ces contributions ouvrent de nouvelles perspectives à partir desquelles les signaux neurophysiologiques pourront informer les théories des Neurosciences Cognitives.
Mots clés : Neurophysiologie humaine (EEG intracérébral, EEG, MEG), cognition, résolution spatio-temporelle, analyse simple essai, organisation temporelle des fonctions cognitives, production du langage.