EEG-based functional brain networks: does the network size matter?

Functional connectivity in human brain can be represented as a network using electroencephalography (EEG) signals. These networks--whose nodes can vary from tens to hundreds--are characterized by neurobiologically meaningful graph theory metrics. This study investigates the degree to which various graph metrics depend upon the network size. To this end, EEGs from 32 normal subjects were recorded and functional networks of three different sizes were extracted. A state-space based method was used to calculate cross-correlation matrices between different brain regions. These correlation matrices were used to construct binary adjacency connectomes, which were assessed with regards to a number of graph metrics such as clustering coefficient, modularity, efficiency, economic efficiency, and assortativity. We showed that the estimates of these metrics significantly differ depending on the network size. Larger networks had higher efficiency, higher assortativity and lower modularity compared to those with smaller size and the same density. These findings indicate that the network size should be considered in any comparison of networks across studies.

Faire la ville juste : une analyse "in itinere" de la maîtrise publique d'ouvrage du projet urbain Carré de Soie (métropole lyonnaise)

Dans certaines portions des agglomérations (poches de pauvreté de centre-ville, couronnes suburbaines dégradées, espaces périurbains sans aménité), un cumul entre des inégalités sociales (pauvreté, chômage, etc.) et environnementales (exposition au bruit, aux risques industriels, etc.) peut être observé. La persistance de ces inégalités croisées dans le temps indique une tendance de fond : la capacité d'accéder à un cadre de vie de qualité n'est pas équitablement partagée parmi les individus. Ce constat interroge : comment se créent ces inégalités ? Comment infléchir cette tendance et faire la ville plus juste ?¦Apporter des réponses à cette problématique nécessite d'identifier les facteurs de causalités qui entrent en jeu dans le système de (re)production des inégalités urbaines. Le fonctionnement des marchés foncier et immobilier, la « tyrannie des petites décisions » et les politiques publiques à incidence spatiale sont principalement impliqués. Ces dernières, agissant sur tous les éléments du système, sont placées au coeur de ce travail. On va ainsi s'intéresser précisément à la manière dont les collectivités publiques pilotent la production de la ville contemporaine, en portant l'attention sur la maîtrise publique d'ouvrage (MPO) des grands projets urbains.¦Poser la question de la justice dans la fabrique de la ville implique également de questionner les référentiels normatifs de l'action publique : à quelle conception de la justice celle-ci doit- elle obéir? Quatre perspectives (radicale, substantialiste, procédurale et intégrative) sont caractérisées, chacune se traduisant par des principes d'action différenciés. Une méthodologie hybride - empruntant à la sociologie des organisations et à l'analyse des politiques publiques - vient clore le volet théorique, proposant par un détour métaphorique d'appréhender le projet urbain comme une pièce de théâtre dont le déroulement dépend du jeu d'acteurs.¦Cette méthodologie est utilisée dans le volet empirique de la recherche, qui consiste en une analyse de la MPO d'un projet urbain en cours dans la première couronne de l'agglomération lyonnaise : le Carré de Soie. Trois grands objectifs sont poursuivis : descriptif (reconstruire le scénario), analytique (évaluer la nature de la pièce : conte de fée, tragédie ou match d'improvisation ?) et prescriptif (tirer la morale de l'histoire). La description de la MPO montre le déploiement successif de quatre stratégies de pilotage, dont les implications sur les temporalités, le contenu du projet (programmes, morphologies) et les financements publics vont être déterminantes. Sur la base de l'analyse, plusieurs recommandations peuvent être formulées - importance de l'anticipation et de l'articulation entre planification et stratégie foncière notamment - pour permettre à la sphère publique de dominer le jeu et d'assurer la production de justice par le projet urbain (réalisation puis entretien des équipements et espaces publics, financement de logements de qualité à destination d'un large éventail de populations, etc.). Plus généralement, un décalage problématique peut être souligné entre les territoires stratégiques pour le développement de l'agglomération et les capacités de portage limitées des communes concernées. Ce déficit plaide pour le renforcement des capacités d'investissement de la structure intercommunale.¦La seule logique du marché (foncier, immobilier) mène à la polarisation sociale et à la production d'inégalités urbaines. Faire la ville juste nécessite une forte volonté des collectivités publiques, laquelle doit se traduire aussi bien dans l'ambition affichée - une juste hiérarchisation des priorités dans le développement urbain - que dans son opérationnalisation - une juste maîtrise publique d'ouvrage des projets urbains.¦Inner-city neighborhoods, poor outskirts, and peri-urban spaces with no amenities usually suffer from social and environmental inequalities, such as poverty, unemployment, and exposure to noise and industrial hazards. The observed persistence of these inequalities over time points to an underlying trend - namely, that access to proper living conditions is fundamentally unequal, thus eliciting the question of how such inequalities are effected and how this trend can be reversed so as to build a more equitable city.¦Providing answers to such questions requires that the causal factors at play within the system of (re)production of urban inequalities be identified. Real estate markets, "micromotives and macrobehavior", and public policies that bear on space are mostly involved. The latter are central in that they act on all the elements of the system. This thesis therefore focuses on the way public authorities shape the production of contemporary cities, by studying the public project ownership of major urban projects.¦The study of justice within the urban fabric also implies that the normative frames of reference of public action be questioned: what conception of justice should public action refer to? This thesis examines four perspectives (radical, substantialist, procedural, and integrative) each of which results in different principles of action. This theoretical part is concluded by a hybrid methodology that draws from sociology of organizations and public policy analysis and that suggests that the urban project may be understood as a play, whose outcome hinges on the actors' acting.¦This methodology is applied to the empirical analysis of the public project ownership of an ongoing urban project in the Lyon first-ring suburbs: the Carré de Soie. Three main objectives are pursued: descriptive (reconstructing the scenario), analytical (assessing the nature of the play - fairy tale, tragedy or improvisation match), and prescriptive (drawing the moral of the story). The description of the public project ownership shows the successive deployment of four control strategies, whose implications on deadlines, project content (programs, morphologies), and public funding are significant. Building on the analysis, several recommendations can be made to allow the public sphere to control the process and ensure the urban project produces equity (most notably, anticipation and articulation of planning and real- estate strategy, as well as provision and maintenance of equipment and public spaces, funding of quality housing for a wide range of populations, etc.). More generally, a gap can be highlighted between those territories that are strategic to the development of the agglomeration and the limited resources of the municipalities involved. This deficit calls for strengthening the investment abilities of the intermunicipal structure.¦By itself, the real-estate market logic brings about social polarization and urban inequalities. Building an equitable city requires a strong will on the part of public authorities, a will that must be reflected both in the stated ambition - setting priorities of urban development equitably - and in its implementation managing urban public projects fairly.

Peut-on faire confiance à l'administration ? Une analyse du concept de confiance, appliqué au secteur public

D'une manière générale, la confiance est un « lubrifiant » (Arrow, 1974) facilitant les relations sociales (eg Luhmann, 1968, Giddens, 1984, Zucker, 1986). D'un point de vue économique, un environnement institutionnel bénéficiant d'une confiance élevée serait corrélé avec la performance de l'économie nationale (eg Dyer and Chu, 2003). La confiance, en tant que capital social, permettrait et engendrerait des comportements altruistes et coopératifs impactant et soutenant la prospérité économique d'une communauté (Fukuyama, 1995). Dans un cadre organisationnel, la confiance engendre une communication plus ouverte et facilite l'échange d'information (eg Smith and Barclay, 1997, Currall and Judge, 1995), facilite la gestion des conflits (eg Blomqvist, 2002), l'apprentissage commun (eg Bijlsma-Frankema, 2004) ou diminue les coûts d'intégration (eg Bidault and Jarillo, 1995), par exemple.

The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.

Binding under Conflict Conditions: State-Space Analysis of Multivariate EEG Synchronization.

Real-world objects are often endowed with features that violate Gestalt principles. In our experiment, we examined the neural correlates of binding under conflict conditions in terms of the binding-by-synchronization hypothesis. We presented an ambiguous stimulus ("diamond illusion") to 12 observers. The display consisted of four oblique gratings drifting within circular apertures. Its interpretation fluctuates between bound ("diamond") and unbound (component gratings) percepts. To model a situation in which Gestalt-driven analysis contradicts the perceptually explicit bound interpretation, we modified the original diamond (OD) stimulus by speeding up one grating. Using OD and modified diamond (MD) stimuli, we managed to dissociate the neural correlates of Gestalt-related (OD vs. MD) and perception-related (bound vs. unbound) factors. Their interaction was expected to reveal the neural networks synchronized specifically in the conflict situation. The synchronization topography of EEG was analyzed with the multivariate S-estimator technique. We found that good Gestalt (OD vs. MD) was associated with a higher posterior synchronization in the beta-gamma band. The effect of perception manifested itself as reciprocal modulations over the posterior and anterior regions (theta/beta-gamma bands). Specifically, higher posterior and lower anterior synchronization supported the bound percept, and the opposite was true for the unbound percept. The interaction showed that binding under challenging perceptual conditions is sustained by enhanced parietal synchronization. We argue that this distributed pattern of synchronization relates to the processes of multistage integration ranging from early grouping operations in the visual areas to maintaining representations in the frontal networks of sensory memory.

Robust discrimination between EEG responses to categories of environmental sounds in early coma.

Humans can recognize categories of environmental sounds, including vocalizations produced by humans and animals and the sounds of man-made objects. Most neuroimaging investigations of environmental sound discrimination have studied subjects while consciously perceiving and often explicitly recognizing the stimuli. Consequently, it remains unclear to what extent auditory object processing occurs independently of task demands and consciousness. Studies in animal models have shown that environmental sound discrimination at a neural level persists even in anesthetized preparations, whereas data from anesthetized humans has thus far provided null results. Here, we studied comatose patients as a model of environmental sound discrimination capacities during unconsciousness. We included 19 comatose patients treated with therapeutic hypothermia (TH) during the first 2 days of coma, while recording nineteen-channel electroencephalography (EEG). At the level of each individual patient, we applied a decoding algorithm to quantify the differential EEG responses to human vs. animal vocalizations as well as to sounds of living vocalizations vs. man-made objects. Discrimination between vocalization types was accurate in 11 patients and discrimination between sounds from living and man-made sources in 10 patients. At the group level, the results were significant only for the comparison between vocalization types. These results lay the groundwork for disentangling truly preferential activations in response to auditory categories, and the contribution of awareness to auditory category discrimination.