Beyond behavior : electrophysiological markers of conscious processing - Thèses de Sorbonne Université
Thèse Année : 2024

Beyond behavior : electrophysiological markers of conscious processing

Au-delà du comportement : marqueurs électrophysiologiques du traitement conscient

Emilia Fló Rama

Résumé

The study of consciousness posits a paradox. The object of study, the ‘thing' we try to assess is pervasive and inescapable when we consider our own consciousness, whereas it is inaccessible when we consider everyone else's. Under normal circumstances, we infer that an individual is conscious from their adequate responses and behavior. In contrast, in patients with disorders of consciousness (DoC) stating the level of awareness through behavior poses a major clinical challenge as volitional responses can fluctuate, be hard to distinguish from reflexes, or even be totally absent. In these clinical situations, an accurate diagnosis is paramount to guide decisions regarding care and life-sustaining therapies. The main objective of this thesis was to develop novel experimental paradigms and analysis to assess and probe the state of consciousness in brain-injured patients based on tools available in common clinical settings by focusing on two promising fields: brain-body interactions and language processing.In the first study, we explored the potential of a network approach to electromyography (EMG) and electroencephalography (EEG) recordings in combination with cortical power and heart activity to detect motor imagery in a group of healthy participants. We found that while brain-muscle networks were not modulated by motor imagery, heart activity and cortical power were crucial to detect when a participant was mentally rehearsing a movement. This work highlights the importance of combining EEG and peripheral measurements to detect command-following, which could be important in improving the detection of covert intentional responses in unresponsive patients. In a second study, we developed a measure of covert command-following based on interoceptive and exteroceptive attention. We show that directing attention to bodily rhythms or external stimuli induces specific EEG responses, allowing for the individual-level tracking of covert attention in healthy participants. In a group of brain-injured patients, a patient identified with Unresponsive Wakefulness Syndrome and a locked-in syndrome patient showed attention-driven changes in the heartbeat-evoked potential (HEP), and their attentional state was classified using dynamical together with HEP features. Our findings underscore the importance of attentional mechanisms in shaping interoceptive and exteroceptive sensory processing and expand the framework of heart-brain interactions employed for diagnostic purposes in patients with disorders of consciousness. The third study focused on developing EEG markers of conscious language processing by exploring the properties of speech that produce common neural responses in healthy individuals exposed to auditory narratives. By combining encoding models and correlated component analysis, we show that during passive, attended, and unattended listening, acoustic and linguistic features contribute to the intersubject correlation evoked by the stories. Notably, models including word unpredictability were particularly sensitive to attention with timing and scalp distribution consistent with language processing. Following this approach, we analyzed EEG data from DoC patients as they listened to a story in the forward and backward direction. Nevertheless, the brevity of the stimuli hindered meaningful results. Based on this, we offer some recommendations on how to use these tools to assess the depth of language processing at the individual level in patients with DoC. Overall, this thesis offers novel non-invasive methods that can be used at the bedside to probe cognitive capabilities and awareness in patients with DoC. Importantly, the developed paradigms have varying degrees of complexity and require different levels of engagement, from passive to command-following tasks, allowing the exploration of multiple layers of information processing in patients with disorders of consciousness.
L'étude de la conscience pose un paradoxe. La «chose» que nous essayons d'évaluer est omniprésente et inévitable lorsque nous considérons notre propre conscience, mais inaccessible pour celle des autres. Normalement, nous déduisons qu'un individu est conscient de ses réponses et de son comportement adéquats. Cependant, chez les patients avec des troubles de la conscience (DoC), établir le niveau de conscience par le comportement est un défi clinique majeur. L'objectif principal de cette thèse était de développer de nouveaux paradigmes expérimentaux pour évaluer l'état de conscience chez les patients cérébrolésés, en utilisant des outils disponibles en milieu clinique, en se concentrant sur deux domaines prometteurs : les interactions cerveau-corps et le traitement du langage. Nous avons exploré le potentiel d'une approche réseau des enregistrements de EMG et EEG, en combinaison avec la puissance corticale et l'activité cardiaque pour détecter l'imagerie motrice chez des participants sains. Nous avons constaté que bien que les réseaux cerveau-muscle n'étaient pas modulés par l'imagerie motrice, l'activité cardiaque et la puissance corticale étaient cruciales pour détecter quand un participant répétait mentalement un mouvement. Ce travail souligne l'importance de combiner l'EEG et les mesures périphériques pour détecter le suivi des commandes, ce qui pourrait améliorer la détection des réponses intentionnelles cachées chez les patients non réactifs. Dans la deuxième étude, nous avons développé une mesure de suivi des commandes cachées basée sur l'attention intéroceptive et extéroceptive. Nous montrons que diriger l'attention vers les rythmes corporels ou les stimuli externes induit des réponses EEG spécifiques, permettant de suivre au niveau individuel l'attention cachée chez les participants sains. Dans un groupe de patients cérébrolésés, un patient en état végétatif et un patient en syndrome d'enfermement ont montré des changements induits par l'attention dans le potentiel évoqué par le battement de cœur (HEP), et leur état attentionnel a été classifié en utilisant des caractéristiques dynamiques et le HEP. Nos résultats soulignent l'importance des mécanismes attentionnels dans le traitement sensoriel intéroceptif et extéroceptif et étendent le cadre des interactions cœur-cerveau pour le diagnostic chez les patients avec troubles de la conscience. La troisième étude s'est concentrée sur le développement de marqueurs EEG du traitement conscient du langage en explorant les propriétés de la parole produisant des réponses neuronales communes chez les individus sains exposés à des histoires auditifs. En combinant des modèles d'encodage et une analyse de composantes corrélées, nous montrons que pendant l'écoute passive, attentive et non attentive, les caractéristiques acoustiques et linguistiques contribuent à la corrélation intersubjective évoquée par les histoires. Les modèles incluant l'imprévisibilité des mots étaient particulièrement sensibles à l'attention avec un profile topographique cohérente avec le traitement du langage. En suivant cette approche, nous avons analysé les données EEG de patients DoC alors qu'ils écoutaient une histoire dans le sens avant et arrière. Néanmoins, la brièveté des stimuli a entravé des résultats significatifs. Sur cette base, nous offrons quelques recommandations sur l'utilisation de ces outils pour évaluer la profondeur du traitement du langage au niveau individuel chez les patients DoC. Cette thèse propose de nouvelles méthodes non invasives pouvant être utilisées au chevet du patient pour sonder les capacités cognitives et la conscience chez les patients DoC. Les paradigmes développés ont des degrés de complexité variés et nécessitent différents niveaux d'engagement, allant des tâches passives aux tâches de suivi des commandes, permettant l'exploration de multiples niveaux de traitement de l'information chez les patients avec troubles de la conscience.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04818311 , version 1 (04-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04818311 , version 1

Citer

Emilia Fló Rama. Beyond behavior : electrophysiological markers of conscious processing. Neuroscience. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024SORUS259⟩. ⟨tel-04818311⟩
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