Flexible regression models for functional neuroimaging

Current practice for analysing functional neuroimaging data is to average the brain signals recorded at multiple sensors or channels on the scalp over time across hundreds of trials or replicates to eliminate noise and enhance the underlying signal of interest. These studies recording brain signals non-invasively using functional neuroimaging techniques such as electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG) generate complex, high dimensional and noisy data for many subjects at a number of replicates. Single replicate (or single trial) analysis of neuroimaging data have gained focus as they are advantageous to study the features of the signals at each replicate without averaging out important features in the data that the current methods employ. The research here is conducted to systematically develop flexible regression mixed models for single trial analysis of specific brain activities using examples from EEG and MEG to illustrate the models. This thesis follows three specific themes: i) artefact correction to estimate the `brain' signal which is of interest, ii) characterisation of the signals to reduce their dimensions, and iii) model fitting for single trials after accounting for variations between subjects and within subjects (between replicates). The models are developed to establish evidence of two specific neurological phenomena - entrainment of brain signals to an $\alpha$ band of frequencies (8-12Hz) and dipolar brain activation in the same $\alpha$ frequency band in an EEG experiment and a MEG study, respectively.

Processing of hierarchical syntactic strusture in music

Hierarchical structure with nested nonlocal dependencies is a key feature of human language and can be identified theoretically in most pieces of tonal music. However, previous studies have argued against the perception of such structures in music. Here, we show processing of nonlocal dependencies in music. We presented chorales by J. S. Bach and modified versions inwhich the hierarchical structure was rendered irregular whereas the local structure was kept intact. Brain electric responses differed between regular and irregular hierarchical structures, in both musicians and nonmusicians. This finding indicates that, when listening to music, humans apply cognitive processes that are capable of dealing with longdistance dependencies resulting from hierarchically organized syntactic structures. Our results reveal that a brain mechanism fundamental for syntactic processing is engaged during the perception of music, indicating that processing of hierarchical structure with nested nonlocal dependencies is not just a key component of human language, but a multidomain capacity of human cognition.

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Le gyrus temporal supérieur est-il véritablement impliqué dans l'exagération des douleurs passées ?

Résumé : INTRODUCTION : Le rappel de douleurs passées est souvent inexact. Ce phénomène, connu sous le nom de biais mnémonique, pourrait être lié au développement de certaines douleurs chroniques. Dans une étude précédente, notre laboratoire a montré, grâce à l’électroencéphalographie, que l’activité du gyrus temporal supérieur (GTS) était positivement corrélée à l’exagération des rappels douloureux. L’objectif de cette étude était de confirmer si l’activité cérébrale du GTS est impliquée causalement dans le phénomène du biais mnémonique. MÉTHODES : Dans cette étude randomisée à double insu, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) fut utilisée pour perturber temporairement l’activité du GTS (paradigme de lésion virtuelle). Les participants étaient assignés aléatoirement au groupe contrôle (TMS simulée, n = 21) ou au groupe expérimental (TMS réelle, n = 21). L’intensité et l’aspect désagréable de la douleur ont été évalués grâce à des échelles visuelles analogues (ÉVA; 0 à 10) immédiatement après l’événement douloureux (stimulations électriques du nerf sural droit) et au rappel, 2 mois plus tard. L’exactitude du rappel douloureux fut calculée en soustrayant l’ÉVA au rappel de l’ÉVA initiale. RÉSULTATS : Le biais mnémonique de l’intensité de la douleur était similaire dans les deux groupes (contrôle = -0,3, expérimental = 0,0; p = 0,83) alors que le biais mnémonique de l’aspect désagréable de la douleur était significativement inférieur dans le groupe expérimental (contrôle = 1.0, expérimental = -0,4; p < 0,05). CONCLUSION : Nos résultats suggèrent que le GTS affecte spécifiquement nos souvenirs liés à l’aspect motivo-affectif de la douleur. Étant donné le lien entre l’exagération des souvenirs douloureux et la persistance de la douleur, l’inhibition du GTS pourrait être une avenue intéressante pour prévenir le développement de douleur chronique.

Adquisición y análisis de señales cerebrales utilizando el dispositivo MindWave

La actividad cerebral puede ser monitoreada mediante la electroencefalografía y utilizada como un indicador bioeléctrico. Este articulo muestra como un dispositivo de bajo costo y fácil acceso puede utilizarse para el desarrollo de aplicaciones basadas en interfaces cerebro-computador (BCI). Los resultados obtenidos muestran que el dispositivo MindWave puede efectivamente utilizarse para la adquisición de señales relacionadas a la actividad cerebral en diversas actividades cerebrales bajo la influencia de diversos estímulos. Se propone además el uso de la transformada Wavelet para el acondicionamiento de las señales EEG con el objetivo de utilizar algoritmos de inteligencia artificial y técnicas de reconocimiento de patrones para distinguir respuestas cerebrales.

Traitement des émotions évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales à la suite d’un traumatisme craniocérébral

Le traitement des émotions joue un rôle essentiel dans les relations interpersonnelles. Des déficits dans la reconnaissance des émotions évoquées par les expressions faciales et vocales ont été démontrés à la suite d’un traumatisme craniocérébral (TCC). Toutefois, la majorité des études n’ont pas différencié les participants selon le niveau de gravité du TCC et n’ont pas évalué certains préalables essentiels au traitement émotionnel, tels que la capacité à percevoir les caractéristiques faciales et vocales, et par le fait même, la capacité à y porter attention. Aucune étude ne s’est intéressée au traitement des émotions évoquées par les expressions musicales, alors que la musique est utilisée comme méthode d’intervention afin de répondre à des besoins de prise en charge comportementale, cognitive ou affective chez des personnes présentant des atteintes neurologiques. Ainsi, on ignore si les effets positifs de l’intervention musicale sont basés sur la préservation de la reconnaissance de certaines catégories d’émotions évoquées par les expressions musicales à la suite d’un TCC. La première étude de cette thèse a évalué la reconnaissance des émotions de base (joie, tristesse, peur) évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales chez quarante et un adultes (10 TCC modéré-sévère, 9 TCC léger complexe, 11 TCC léger simple et 11 témoins), à partir de tâches expérimentales et de tâches perceptuelles contrôles. Les résultats suggèrent un déficit de la reconnaissance de la peur évoquée par les expressions faciales à la suite d’un TCC modéré-sévère et d’un TCC léger complexe, comparativement aux personnes avec un TCC léger simple et sans TCC. Le déficit n’est pas expliqué par un trouble perceptuel sous-jacent. Les résultats montrent de plus une préservation de la reconnaissance des émotions évoquées par les expressions vocales et musicales à la suite d’un TCC, indépendamment du niveau de gravité. Enfin, malgré une dissociation observée entre les performances aux tâches de reconnaissance des émotions évoquées par les modalités visuelle et auditive, aucune corrélation n’a été trouvée entre les expressions vocales et musicales. La deuxième étude a mesuré les ondes cérébrales précoces (N1, N170) et plus tardives (N2) de vingt-cinq adultes (10 TCC léger simple, 1 TCC léger complexe, 3 TCC modéré-sévère et 11 témoins), pendant la présentation d’expressions faciales évoquant la peur, la neutralité et la joie. Les résultats suggèrent des altérations dans le traitement attentionnel précoce à la suite d’un TCC, qui amenuisent le traitement ultérieur de la peur évoquée par les expressions faciales. En somme, les conclusions de cette thèse affinent notre compréhension du traitement des émotions évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales à la suite d’un TCC selon le niveau de gravité. Les résultats permettent également de mieux saisir les origines des déficits du traitement des émotions évoquées par les expressions faciales à la suite d’un TCC, lesquels semblent secondaires à des altérations attentionnelles précoces. Cette thèse pourrait contribuer au développement éventuel d’interventions axées sur les émotions à la suite d’un TCC.

Le sommeil comme marqueur du déclin cognitif dans la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise principalement par la présence de symptômes moteurs. Cependant, d’autres symptômes, dits non moteurs, sont fréquents dans la MP et assombrissent le pronostic; ceux ci incluent notamment les désordres du sommeil et les troubles cognitifs. De fait, sur une période de plus de 10 ans, jusqu’à 90 % des patients avec la MP développeraient une démence. L’identification de marqueurs de la démence dans la MP est donc primordiale pour permettre le diagnostic précoce et favoriser le développement d’approches thérapeutiques préventives. Plusieurs études ont mis en évidence la contribution du sommeil dans les processus de plasticité cérébrale, d’apprentissage et de consolidation mnésique, notamment l’importance des ondes lentes (OL) et des fuseaux de sommeil (FS). Très peu de travaux se sont intéressés aux liens entre les modifications de la microarchitecture du sommeil et le déclin cognitif dans la MP. L’objectif de cette thèse est de déterminer, sur le plan longitudinal, si certains marqueurs électroencéphalographiques (EEG) en sommeil peuvent prédire la progression vers la démence chez des patients atteints de la MP. La première étude a évalué les caractéristiques des OL et des FS durant le sommeil lent chez les patients avec la MP selon qu’ils ont développé ou non une démence (MP démence vs MP sans démence) lors du suivi longitudinal, ainsi que chez des sujets contrôles en santé. Comparativement aux patients MP sans démence et aux sujets contrôles, les patients MP démence présentaient au temps de base une diminution de la densité, de l’amplitude et de la fréquence des FS. La diminution de l’amplitude des FS dans les régions postérieures était associée à de moins bonnes performances aux tâches visuospatiales chez les patients MP démence. Bien que l’amplitude des OL soit diminuée chez les deux groupes de patients avec la MP, celle ci n’était pas associée au statut cognitif lors du suivi. La deuxième étude a évalué les marqueurs spectraux du développement de la démence dans la MP à l’aide de l’analyse quantifiée de l’EEG en sommeil lent, en sommeil paradoxal et à l’éveil. Les patients MP démence présentaient une diminution de la puissance spectrale sigma durant le sommeil lent dans les régions pariétales comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Durant le sommeil paradoxal, l’augmentation de la puissance spectrale en delta et en thêta, de même qu’un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG, caractérisé par un rapport plus élevé des basses fréquences sur les hautes fréquences, était associée au développement de la démence chez les patients avec la MP. D’ailleurs, dans la cohorte de patients, un plus grand ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal dans les régions temporo occipitales était associé à des performances cognitives moindres aux épreuves visuospatiales. Enfin, durant l’éveil, les patients MP démence présentaient au temps de base une augmentation de la puissance spectrale delta, un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG ainsi qu’une diminution de la fréquence dominante occipitale alpha comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Cette thèse suggère que des anomalies EEG spécifiques durant le sommeil et l’éveil peuvent identifier les patients avec la MP qui vont développer une démence quelques années plus tard. L’activité des FS, ainsi que le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et à l’éveil, pourraient donc servir de marqueurs potentiels du développement de la démence dans la MP.

Support vector machines to detect physiological patterns for EEG and EMG-based human-computer interaction:a review

Support Vector Machines (SVMs) are widely used classifiers for detecting physiological patterns in Human-Computer Interaction (HCI). Their success is due to their versatility, robustness and large availability of free dedicated toolboxes. Frequently in the literature, insufficient details about the SVM implementation and/or parameters selection are reported, making it impossible to reproduce study analysis and results. In order to perform an optimized classification and report a proper description of the results, it is necessary to have a comprehensive critical overview of the application of SVM. The aim of this paper is to provide a review of the usage of SVM in the determination of brain and muscle patterns for HCI, by focusing on electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) techniques. In particular, an overview of the basic principles of SVM theory is outlined, together with a description of several relevant literature implementations. Furthermore, details concerning reviewed papers are listed in tables, and statistics of SVM use in the literature are presented. Suitability of SVM for HCI is discussed and critical comparisons with other classifiers are reported.

Bifidobacterium longum 1714 as a translational psychobiotic: modulation of stress, electrophysiology and neurocognition in healthy volunteers

The emerging concept of psychobiotics—live microorganisms with a potential mental health benefit—represents a novel approach for the management of stress-related conditions. The majority of studies have focused on animal models. Recent preclinical studies have identified the B. longum 1714 strain as a putative psychobiotic with an impact on stress-related behaviors, physiology and cognitive performance. Whether such preclinical effects could be translated to healthy human volunteers remains unknown. We tested whether psychobiotic consumption could affect the stress response, cognition and brain activity patterns. In a within-participants design, healthy volunteers (N=22) completed cognitive assessments, resting electroencephalography and were exposed to a socially evaluated cold pressor test at baseline, post-placebo and post-psychobiotic. Increases in cortisol output and subjective anxiety in response to the socially evaluated cold pressor test were attenuated. Furthermore, daily reported stress was reduced by psychobiotic consumption. We also observed subtle improvements in hippocampus-dependent visuospatial memory performance, as well as enhanced frontal midline electroencephalographic mobility following psychobiotic consumption. These subtle but clear benefits are in line with the predicted impact from preclinical screening platforms. Our results indicate that consumption of B. longum 1714 is associated with reduced stress and improved memory. Further studies are warranted to evaluate the benefits of this putative psychobiotic in relevant stress-related conditions and to unravel the mechanisms underlying such effects.

Lost in translation? The potential psychobiotic Lactobacillus rhamnosus (JB-1) fails to modulate stress or cognitive performance in healthy male subjects

Background: Preclinical studies have identified certain probiotics as psychobiotics a live microorganisms with a potential mental health benefit. Lactobacillus rhamnosus (JB-1) has been shown to reduce stress-related behaviour, corticosterone release and alter central expression of GABA receptors in an anxious mouse strain. However, it is unclear if this single putative psychobiotic strain has psychotropic activity in humans. Consequently, we aimed to examine if these promising preclinical findings could be translated to healthy human volunteers. Objectives: To determine the impact of L. rhamnosus on stress-related behaviours, physiology, inflammatory response, cognitive performance and brain activity patterns in healthy male participants. An 8 week, randomized, placebo-controlled, cross-over design was employed. Twenty-nine healthy male volunteers participated. Participants completed self-report stress measures, cognitive assessments and resting electroencephalography (EEG). Plasma IL10, IL1β, IL6, IL8 and TNFα levels and whole blood Toll-like 4 (TLR-4) agonist-induced cytokine release were determined by multiplex ELISA. Salivary cortisol was determined by ELISA and subjective stress measures were assessed before, during and after a socially evaluated cold pressor test (SECPT). Results: There was no overall effect of probiotic treatment on measures of mood, anxiety, stress or sleep quality and no significant effect of probiotic over placebo on subjective stress measures, or the HPA response to the SECPT. Visuospatial memory performance, attention switching, rapid visual information processing, emotion recognition and associated EEG measures did not show improvement over placebo. No significant anti-inflammatory effects were seen as assessed by basal and stimulated cytokine levels. Conclusions: L. rhamnosus was not superior to placebo in modifying stress-related measures, HPA response, inflammation or cognitive performance in healthy male participants. These findings highlight the challenges associated with moving promising preclinical studies, conducted in an anxious mouse strain, to healthy human participants. Future interventional studies investigating the effect of this psychobiotic in populations with stress-related disorders are required.

Mapping and modulating spatial attention asymmetries in young and older adults

Healthy young adults demonstrate a group-level, systematic preference for stimuli presented in the left side of space relative to the right (‘pseudoneglect’) (Bowers & Heilman, 1980). This results in an overestimation of features such as size, brightness, numerosity and spatial frequency in the left hemispace, probably as a result of right cerebral hemisphere dominance for visuospatial attention. This spatial attention asymmetry is reduced in the healthy older population, and can be shifted entirely into right hemispace under certain conditions. Although this rightward shift has been consistently documented in behavioural experiments, there is very little neuroimaging evidence to explain this effect at a neuroanatomical level. In this thesis, I used behavioural methodology and electroencephalography (EEG) to map spatial attention asymmetries in young and older adults. I then use transcranial direct current stimulation (tDCS) to modulate these spatial biases, with the aim of assessing age-related differences in response to tDCS. In the first of three experiments presented in this thesis, I report in Chapter Two that five different spatial attention tasks provide consistent intra-task measures of spatial bias in young adults across two testing days. There were, however, no inter-task correlations between the five tasks, indicating that pseudoneglect is at least partially driven by task-dependent patterns of neural activity. In Chapter Three, anodal tDCS was applied separately to the left (P5) and right (P6) posterior parietal cortex (PPC) in young and older adults, with an aim to improve the detection of stimuli appearing in the contralateral visual field. There were no age differences in response to tDCS, but there were significant differences depending on baseline performance. Relative to a sham tDCS protocol, tDCS applied to the right PPC resulted in maintained visual detection across both visual fields in adults who were good at the task at baseline. In contrast, left PPC tDCS resulted in reduced detection sensitivity across both visual fields in poor performers. Finally, in Chapter Four, I report a right-hemisphere lateralisation of EEG activity in young adults that was present for long (but not short) landmark task lines. In contrast, older adults demonstrated no lateralised activity for either line length, thus providing novel evidence of an age-related reduction of hemispheric asymmetry in older adults. The results of this thesis provide evidence of a highly complex set of factors that underlie spatial attention asymmetries in healthy young and older adults.

Obstructive sleep apneas naturally occur in mice during REM sleep and are more prevalent in a mouse model of Down syndrome

Study Objectives. The use of mouse models in sleep apnea research is limited by the belief that central (CSA) but not obstructive sleep apneas (OSA) occur in rodents. With this study we wanted to develop a protocol to look for the presence of OSAs in wild-type mice and, then, to apply it to a mouse model of Down Syndrome (DS), a human pathology characterized by a high incidence of OSAs. Methods. Nine C57Bl/6J wild-type mice were implanted with electrodes for electroencephalography (EEG), neck electromyography (nEMG), diaphragmatic activity (DIA) and then placed in a whole-body-plethysmographic (WBP) chamber for 8h during the resting (light) phase to simultaneously record sleep and breathing activity. The concomitant analysis of WBP and DIA signals allowed the discrimination between CSA and OSA. The same protocol was then applied to 12 Ts65Dn mice (a validated model of DS) and 14 euploid controls. Results. OSAs represented about half of the apneic events recorded during rapid-eye-movement sleep (REMS) in each experimental group while almost only CSAs were found during non-REMS. Ts65Dn mice had similar rate of apneic events than euploid controls but a significantly higher occurrence of OSAs during REMS. Conclusions. We demonstrated for the first time that mice physiologically exhibit both CSAs and OSAs and that the latter are more prevalent in the Ts65Dn mouse model of DS. These findings indicate that mice can be used as a valid tool to accelerate the comprehension of the pathophysiology of all kind of sleep apnea and for the development of new therapeutical approaches to contrast these respiratory disorders.

Assessing brain connectivity through electroencephalographic signal processing and modeling analysis

Brain functioning relies on the interaction of several neural populations connected through complex connectivity networks, enabling the transmission and integration of information. Recent advances in neuroimaging techniques, such as electroencephalography (EEG), have deepened our understanding of the reciprocal roles played by brain regions during cognitive processes. The underlying idea of this PhD research is that EEG-related functional connectivity (FC) changes in the brain may incorporate important neuromarkers of behavior and cognition, as well as brain disorders, even at subclinical levels. However, a complete understanding of the reliability of the wide range of existing connectivity estimation techniques is still lacking. The first part of this work addresses this limitation by employing Neural Mass Models (NMMs), which simulate EEG activity and offer a unique tool to study interconnected networks of brain regions in controlled conditions. NMMs were employed to test FC estimators like Transfer Entropy and Granger Causality in linear and nonlinear conditions. Results revealed that connectivity estimates reflect information transmission between brain regions, a quantity that can be significantly different from the connectivity strength, and that Granger causality outperforms the other estimators. A second objective of this thesis was to assess brain connectivity and network changes on EEG data reconstructed at the cortical level. Functional brain connectivity has been estimated through Granger Causality, in both temporal and spectral domains, with the following goals: a) detect task-dependent functional connectivity network changes, focusing on internal-external attention competition and fear conditioning and reversal; b) identify resting-state network alterations in a subclinical population with high autistic traits. Connectivity-based neuromarkers, compared to the canonical EEG analysis, can provide deeper insights into brain mechanisms and may drive future diagnostic methods and therapeutic interventions. However, further methodological studies are required to fully understand the accuracy and information captured by FC estimates, especially concerning nonlinear phenomena.

Predicting corticospinal excitability from pre-TMS EEG using convolutional neural networks

The amplitude of motor evoked potentials (MEPs) elicited by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the primary motor cortex (M1) shows a large variability from trial to trial, although MEPs are evoked by the same repeated stimulus. A multitude of factors is believed to influence MEP amplitudes, such as cortical, spinal and motor excitability state. The goal of this work is to explore to which degree the variation in MEP amplitudes can be explained by the cortical state right before the stimulation. Specifically, we analyzed a dataset acquired on eleven healthy subjects comprising, for each subject, 840 single TMS pulses applied to the left M1 during acquisition of electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG). An interpretable convolutional neural network, named SincEEGNet, was utilized to discriminate between low- and high-corticospinal excitability trials, defined according to the MEP amplitude, using in input the pre-TMS EEG. This data-driven approach enabled considering multiple brain locations and frequency bands without any a priori selection. Post-hoc interpretation techniques were adopted to enhance interpretation by identifying the more relevant EEG features for the classification. Results show that individualized classifiers successfully discriminated between low and high M1 excitability states in all participants. Outcomes of the interpretation methods suggest the importance of the electrodes situated over the TMS stimulation site, as well as the relevance of the temporal samples of the input EEG closer to the stimulation time. This novel decoding method allows causal investigation of the cortical excitability state, which may be relevant for personalizing and increasing the efficacy of therapeutic brain-state dependent brain stimulation (for example in patients affected by Parkinson’s disease).