认知电位时空模式研究

This report mainly focused on methodology of spatiotemporal patterns (STP) of cognitive potentials or event-related potentials (ERP). The representation of STP of brain wave is an important issue in the research of neural assemblies. This paper described methods of parametric 3D head or brain modeling and its corresponding interpolation for functional imaging based on brain waves. The 3D interpolation method is an extension of cortical imaging technique. It can be used with transformed domain features of brain wave on realistic head or brain models. The simulating results suggests that it is a better method in comparison with the global nearest neighbor technique. A stable and definite STP of brainwave referred as microstate may become basic element for comprehending sophisticated cognitive processes. Fuzzy c-mean algorithm was applied to segmentation STPs of ERP into microstates and corresponding membership functions. The optimal microstate number was estimated with both the trends of objective function against increasing clustering number and the decorrelation technique base don microstate shape similarity. Comparable spatial patterns may occur at different moments in time with fuzzy indices and thus the serial processing limit generated from behavioral methods has been break through. High-resolution frequency domain analysis was carried out with multivariate autoregressive model. Bases on a 3D interpolation mentioned above, visualization of dynamical coordination of cerebral network was realized with magnitude-squared partial coherence. Those technique illustrated with multichannel ERP of 9 subjects when they undertook Strop task. Stroop effects involves several regions during post-perception stage with technique of statistical parameter mapping based F-test [SPM(F)]. As SPM(F) suggested task effects occurred within 100 ms after stimuli presentation involved several sensory regions, it may reflect the top-down processing effect.

大脑序列记忆信息的提取

The purpose of this study was to examine the cognitive and neural mechanism underlying the serial position effects using cognitive experiments and ERPs(the event related potentials), for 11 item lists in very short-term and the continuous-distractor paradigm with Chinese character. The results demonstrated that when the length of list was 11 Chinese character, and the presentation time, the item interval and the retention interval was 400ms, the primacy effect and recency effect belong to the associative memory and absolute memory respectively. The retrieval of the item at the primacy part depended mainly on the context cues, but the retrieval of the item at the recency part depended mainly on the memory trace. The same results was concluded in the continuous-distractor paradigm (the presentation time was 1sec, the item interval is 12sec, and the retention interval was 30sec). Cognitive results revealed the robust serial position effects in the continuous-distractor paradigm. The different retrieval process between items at the primacy part and items at the recency part of the serial position curve was found. The behavioral responses data of ERP illustrated that the responses for the prime and recent items differed neither in accuracy nor reaction time, the retrieval time for the items at the primacy part was longer than that for the items at the recency part. And the accuracy of retrieval for the primacy part item was lower than that for the recency part items. That meant the retrieval of primacy part items needed more cognitive processes. The recent items, compared with the prime items, evoked ERPs that were more positive, this enhanced positivity occurred in a positive component peaking around 360ms. And for the same retrieval direction (forward or backward), the significant positive component difference between the retrieval for prime items and the retrieval for recent items was found. But there was no significant difference between the forward and backward retrieval at both the primacy and recency part of the serial position curve. These revealed the two kind of retrieval (forward and backward) at the same part of the serial position curve belonged to the same property. These findings fit more closely with the notion of the distinct between the associative memory and the absolute memory.

One sound or two? Object-related negativity indexes echo perception.

The ability to isolate a single sound source among concurrent sources and reverberant energy is necessary for understanding the auditory world. The precedence effect describes a related experimental finding, that when presented with identical sounds from two locations with a short onset asynchrony (on the order of milliseconds), listeners report a single source with a location dominated by the lead sound. Single-cell recordings in multiple animal models have indicated that there are low-level mechanisms that may contribute to the precedence effect, yet psychophysical studies in humans have provided evidence that top-down cognitive processes have a great deal of influence on the perception of simulated echoes. In the present study, event-related potentials evoked by click pairs at and around listeners' echo thresholds indicate that perception of the lead and lag sound as individual sources elicits a negativity between 100 and 250 msec, previously termed the object-related negativity (ORN). Even for physically identical stimuli, the ORN is evident when listeners report hearing, as compared with not hearing, a second sound source. These results define a neural mechanism related to the conscious perception of multiple auditory objects.

Attention-based modulation of tactile stimuli: A comparison between prefrontal lesion patients and healthy age-matched controls

Objectives: To investigate the role of the prefrontal cortex in attention-based modulation of cortical somatosensory processing.

Methods: Six prefrontal stroke patients were compared with eleven neurologically intact older adults during a vibrotactile discrimination task. All subjects attended to stimuli on one digit while ignoring distracter stimuli on a separate digit of the same hand. Subjects were required to report infrequent targets on the attended digit only. Throughout testing electroencephalography was used to measure event-related potentials for both task-relevant and irrelevant stimuli.

Results: Prefrontal patients demonstrated significant changes in cortical somatosensory processing based on attention compared to age-matched controls. This was evident both in early unimodal somatosensory processing (i.e. P100) and in later cortical processing stages (i.e. long-latency positivity). Moreover, there was a tendency towards a tonic loss of inhibition over early somatosensory cortical processing (i.e. P50).

Conclusions: The attention-based modulation noted for neurologically intact older adults was absent in prefrontal lesion patients.

Significance: The present study highlights the important role of prefrontal regions in sustaining inhibition over early sensory cortical processing stages and in modifying somatosensory transmission based on task-relevance. Notably these deficits extend beyond those previously shown to occur as a function of age.

A domain-general perspective on medial frontal brain activity during performance monitoring

Activity of the medial frontal cortex (MFC) has been implicated in attention regulation and performance monitoring. The MFC is thought to generate several event-related potential (ERPs) components, known as medial frontal negativities (MFNs), that are elicited when a behavioural response becomes difficult to control (e.g., following an error or shifting from a frequently executed response). The functional significance of MFNs has traditionally been interpreted in the context of the paradigm used to elicit a specific response, such as errors. In a series of studies, we consider the functional similarity of multiple MFC brain responses by designing novel performance monitoring tasks and exploiting advanced methods for electroencephalography (EEG) signal processing and robust estimation statistics for hypothesis testing. In study 1, we designed a response cueing task and used Independent Component Analysis (ICA) to show that the latent factors describing a MFN to stimuli that cued the potential need to inhibit a response on upcoming trials also accounted for medial frontal brain responses that occurred when individuals made a mistake or inhibited an incorrect response. It was also found that increases in theta occurred to each of these task events, and that the effects were evident at the group level and in single cases. In study 2, we replicated our method of classifying MFC activity to cues in our response task and showed again, using additional tasks, that error commission, response inhibition, and, to a lesser extent, the processing of performance feedback all elicited similar changes across MFNs and theta power. In the final study, we converted our response cueing paradigm into a saccade cueing task in order to examine the oscillatory dynamics of response preparation. We found that, compared to easy pro-saccades, successfully preparing a difficult anti-saccadic response was characterized by an increase in MFC theta and the suppression of posterior alpha power prior to executing the eye movement. These findings align with a large body of literature on performance monitoring and ERPs, and indicate that MFNs, along with their signature in theta power, reflects the general process of controlling attention and adapting behaviour without the need to induce error commission, the inhibition of responses, or the presentation of negative feedback.

Modulation différentielle par la privation de sommeil des processus attentionnels frontaux et pariétaux: une étude de potentiels évoqués cognitifs

L’objectif de la présente étude visait à évaluer les effets différentiels de la privation de sommeil (PS) sur le fonctionnement cognitif sous-tendu par les substrats cérébraux distincts, impliqués dans le réseau fronto-pariétal attentionnel, lors de l’administration d’une tâche simple et de courte durée. Les potentiels évoqués cognitifs, avec sites d’enregistrement multiples, ont été prévilégiés afin d’apprécier les effets de la PS sur l’activité cognitive rapide et ses corrélats topographiques. Le matin suivant une PS totale d’une durée de 24 heures et suivant une nuit de sommeil normale, vingt participants ont exécuté une tâche oddball visuelle à 3 stimuli. L’amplitude et la latence ont été analysées pour la P200 et la N200 à titre d’indices frontaux, tandis que la P300 a été analysée, à titre de composante à contribution à la fois frontale et pariétale. Suite à la PS, une augmentation non spécifique de l’amplitude de la P200 frontale à l’hémisphère gauche, ainsi qu’une perte de latéralisation spécifique à la présentation des stimuli cibles, ont été observées. À l’opposé, l’amplitude de la P300 était réduite de façon prédominante dans la région pariétale pour les stimuli cibles. Enfin, un délai de latence non spécifique pour la N200 et la P300, ainsi qu’une atteinte de la performance (temps de réaction ralentis et nombre d’erreurs plus élevé) ont également été objectivées. Les résultats confirment qu’une PS de durée modérée entraîne une altération des processus attentionnels pouvant être objectivée à la fois par les mesures comportementales et électrophysiologiques. Ces modifications sont présentes à toutes les étapes de traitement, tel que démontré par les effets touchant la P200, la N200 et la P300. Qui plus est, la PS affecte différemment les composantes à prédominance frontale et pariétale.

Les effets d’une commotion cérébrale d’origine sportive sur le fonctionnement cognitif de l’enfant évalués à l’aide de potentiels évoqués cognitifs et de tests neuropsychologiques

Les commotions cérébrales d’origine sportive sont fréquentes chez les athlètes professionnels et semblent l’être tout autant chez les jeunes sportifs. Chez l’adulte, les symptômes se résorbent dans la majorité des cas assez rapidement (7-10 jours), mais la récupération peut s’avérer différente chez les jeunes. Plusieurs études utilisant les potentiels évoqués cognitifs ont découvert des anomalies cérébrales en l’absence de symptômes cliniques observables chez l'adulte. Toutefois, peu de données scientifiques sont disponibles sur les répercussions d’un tel impact sur le cerveau en développement. Le but de l’étude était de déterminer s’il existe une relation entre l’âge de survenue au moment de la commotion et la gravité des déficits. Cette étude transversale a évalué le fonctionnement cognitif de sportifs par des tests neuropsychologiques ainsi que les mécanismes neuronaux de l’orientation de l’attention (P3a) et de mise à jour de l’information en mémoire de travail (P3b) à l’aide de potentiels évoqués cognitifs. Les athlètes étaient répartis selon trois groupes d’âge [9-12 ans (n=32); 13-16 ans (n=34); adultes (n=30)], la moitié ayant subi une commotion dans la dernière année. Les comparaisons entre les groupes ont été effectuées par une série d’ANOVAs. Comparativement au groupe contrôle, les adolescents commotionnés présentaient des déficits de mémoire de travail. Les athlètes commotionnés démontraient une réduction de l’amplitude de la P3b comparativement aux non-commotionnés. Les résultats illustrent la présence de déficits neurophysiologiques persistants et ce, au moins six mois suivant l’impact. Les enfants semblent aussi sensibles que les adultes aux effets délétères d’une commotion cérébrale et les conséquences s’avèrent plus sévères chez l’adolescent.

Étude électrophysiologique de la mémoire à court terme auditive

La présente étude s’intéresse aux mécanismes neuronaux qui sous-tendent la rétention en mémoire à court terme auditive (MCTA) en utilisant la technique des potentiels reliés aux événements (PRE). Dans l’Expérience 1, nous avons isolé une composante de PRE, nommée SAN pour « sustained anterior negativity ». La SAN augmentait en amplitude négative plus le nombre de sons à maintenir en MCTA augmentait. Cet effet de charge était présent, bien que la durée totale des stimuli restait la même entre les conditions. L’effet de charge observé par la SAN dans l’Expérience 1 disparaissait dans l’Expérience 2, où les mêmes sons étaient utilisés, mais où la mémorisation de ceux-ci n’était plus requise. Finalement, dans l’Expérience 3, la tâche de MCTA a été effectuée avec et sans suppression articulatoire durant l'intervalle de rétention. L’effet de charge trouvé dans l’Expérience 1 était de nouveau observé, lorsque les participants faisaient la tâche de suppression articulatoire ou non. Ces résultats suggèrent que la SAN reflète l'activité nécessaire pour le maintien des objets acoustiques dans un système de MCTA qui serait distinct de la répétition phonologique.

Central attention and visual-spatial attention : Electrophysiological investigations of early psychological refractory period multitasking interference

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'effet des coups de tête et des commotions cérébrales sur le fonctionnement cognitif des joueurs de soccer

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les neurosciences cognitives du langage, de l'autisme et des styles cognitifs

VERSION ANGLAISE DISPONIBLE AU DÉPARTEMENT; THÈSE RÉALISÉE CONJOINTEMENT AVEC L'ÉCOLE DES SCIENCES DE LA COMMUNICATION DE L'UNIVERSITÉ MCGILL (DRS. K. STEINHAUER ET J.E. DRURY).

Activité électrocorticale lors du traitement de stimuli émotionnels et différences sexuelles associées à la schizophrénie

D’importantes faiblesses dans l'expérience, l'expression et la reconnaissance des émotions chez les patients souffrant de schizophrénie ont été relativement bien documentées au fil des années. Par ailleurs, les différences sexuelles dans le comportement et l'activité cérébrale associée aux processus émotionnels ont été rapportées dans la population générale. Il apparaît donc surprenant que si peu ait été publié afin d’améliorer notre compréhension des différences sexuelles dans la schizophrénie. La présente étude vise à comparer les différences dans le mode de fonctionnement d’hommes et de femmes atteints de schizophrénie. Il s’agit, avec cette population, de comprendre la réponse comportementale et électrocorticale associés au traitement des images émotionnelles. Ces données ont été enregistrées à l’aide des potentiels évoqués cognitifs (PÉC), et des temps de réponses lors du visionnement passif d’images émotionnelles. L’activation des composantes P200, N200 antérieure et P300 a été comparée chez 18 patients avec une schizophrénie stabilisée (9 femmes et 9 hommes) et 24 participants formant un groupe contrôle (13 femmes et 11 hommes) sans problème psychiatrique. L’analyse des PÉC a globalement révélé que la valence et l’activation émotionnelle influencent les composantes précoces de même que les composantes tardives de façon indépendante, ce qui prouve l’importance d’investiguer ces deux dimensions émotionnelles sur plusieurs composantes. Une découverte d’intérêt réside dans l’observation de différences sexuelles qui entrent en interaction avec le groupe, à différentes latences et attribuées tant à la valence qu’à l’activation. De plus, les données provenant des hormones gonadiques montrent que la progestérone pourrait avoir un impact fonctionnel sur les processus de traitement des émotions tant chez les femmes que chez les hommes. Cependant, d’autres études sont nécessaires pour pouvoir comprendre davantage le rôle des hormones gonadiques en neuropsychopathologie.

Les effets de la distance physique sur les processus attentionnels sont dépendants de la similarité distracteur-cible : étude à partir des potentiels reliés aux évènements

L’attention visuelle est un processus cognitif qui priorise le traitement de l’information visuelle d’une région particulière du champ visuel. En électroencéphalographie, la méthode des potentiels reliés aux évènements permet l’extraction de composantes associées à divers processus cognitifs. La N2pc, une composante latéralisée caractérisée par une déflexion négative entre 180 et 300 ms post-stimulus du côté controlatéral à l’hémichamp dans lequel l’attention est déployée, reflète les processus impliqués dans le déploiement de l’attention visuo-spatiale. De nombreuses études antérieures ont soulevé plusieurs facteurs pouvant moduler cette composante, provenant d’autant de processus de bas niveau que de processus de haut niveau. Cette présente étude comporte une série d’expériences qui approfondit les connaissances sur le rôle de l’attention sur le traitement et la représentation des items dans les champs récepteurs des aires extrastriées du cortex visuel. Ces études démontrent ainsi que l’attention peut effectivement éliminer l’influence d’un distracteur dissimilaire à la cible lorsque celui-ci se retrouve dans le même champ visuel que l’item auquel l’attention est attribuée. Cependant, lorsque l’item est similaire à la cible, son influence ne peut être éliminée. De plus, cette présente étude identifie le rôle des filtres précoces et tardifs de haut niveau sur la sélection attentionnelle.

Effets électrophysiologiques d’une thérapie cognitivo-comportementale pour traiter le syndrome de Gilles de la Tourette et le trouble de tics chroniques

Les troubles des tics, comme le syndrome de Gilles de la Tourette et le trouble de tics chroniques, sont des conditions neuropsychiatriques impliquant des tics moteurs et/ou phoniques. En plus de nombreuses comorbidités, les patients qui en sont atteints ont aussi des difficultés neuropsychologiques, notamment au niveau de l’inhibition et des fonctions motrices. La thérapie cognitivo-comportementale permet d’améliorer les tics et la condition générale de ces patients. Nous avons donc enregistré, durant une tâche de compatibilité stimulus-réponse, les potentiels évoqués cognitifs et les potentiels de latéralisation motrice (lateralized readiness potential; LRP) chez 20 patients atteints de trouble des tic avant et après une thérapie cognitivo-comportementale, et chez 20 participants contrôles. Chez les patients atteints de trouble des tics, nos résultats ont révélé une apparition plus tardive de l’amorce du LRP moyenné par rapport au stimulus, une amplitude plus élevée du LRP moyenné par rapport à la réponse, et une suractivation frontale liée aux processus d’inhibition. Suite à la thérapie, le retard au niveau de la latence de l’amorce du LRP moyenné par rapport à la réponse est comblé et l’amplitude du LRP moyenné par rapport à la réponse est normalisée, mais pas la suractivation frontale liée à l’inhibition. Cela suggère donc que la thérapie induit une modification des processus prémoteurs de sélection et de préparation de la réponse, ainsi que des processus d’exécution motrice, mais n’altère pas la suractivation frontale reliée aux fonctions inhibitrices. Étant donnés ces résultats, nous suggérons que la thérapie cognitivo-comportementale induit une modification du fonctionnement des aires motrices du cerveau.

Identification des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive des objets : une étude en potentiels évoqués

La capacité du système visuel humain à compléter une image partiellement dévoilée et à en dériver une forme globale à partir de ses fragments visibles incomplets est un phénomène qui suscite, jusqu’à nos jours, l’intérêt de nombreux scientifiques œuvrant dans différents milieux de recherche tels que l’informatique, l’ingénierie en intelligence artificielle, la perception et les neurosciences. Dans le cadre de la présente thèse, nous nous sommes intéressés spécifiquement sur les substrats neuronaux associés à ce phénomène de clôture perceptive. La thèse actuelle a donc pour objectif général d’explorer le décours spatio-temporel des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive au cours d’une tâche d’identification d’objets. Dans un premier temps, le premier article visera à caractériser la signature électrophysiologique liée à la clôture perceptive chez des personnes à développement typique dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive reflèteraient l’interaction itérative entre les mécanismes de bas et de haut-niveau et si ceux-ci seraient sollicités à une étape précoce ou tardive lors du traitement visuel de l’information. Dans un deuxième temps, le second article a pour objectif d’explorer le décours spatio-temporel des mécanismes neuronaux sous-tendant la clôture perceptive dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive des personnes présentant un trouble autistique se caractérisent par une signature idiosyncrasique des changements d’amplitude des potentiels évoqués (PÉs). En d’autres termes, nous cherchons à déterminer si la clôture perceptive en autisme est atypique et nécessiterait davantage la contribution des mécanismes de bas-niveau et/ou de haut-niveau. Les résultats du premier article indiquent que le phénomène de clôture perceptive est associé temporellement à l’occurrence de la composante de PÉs N80 et P160 tel que révélé par des différences significatives claires entre des objets et des versions méconnaissables brouillées. Nous proposons enfin que la clôture perceptive s’avère un processus de transition reflétant les interactions proactives entre les mécanismes neuronaux œuvrant à apparier l’input sensoriel fragmenté à une représentation d’objets en mémoire plausible. Les résultats du second article révèlent des effets précoces de fragmentation et d’identification obtenus au niveau de composantes de potentiels évoqués N80 et P160 et ce, en toute absence d’effets au niveau des composantes tardives pour les individus avec autisme de haut niveau et avec syndrome d’Asperger. Pour ces deux groupes du trouble du spectre autistique, les données électrophysiologiques suggèrent qu’il n’y aurait pas de pré-activation graduelle de l’activité des régions corticales, entre autres frontales, aux moments précédant et menant vers l’identification d’objets fragmentés. Pour les participants autistes et avec syndrome d’Asperger, les analyses statistiques démontrent d’ailleurs une plus importante activation au niveau des régions postérieures alors que les individus à développement typique démontrent une activation plus élevée au niveau antérieur. Ces résultats pourraient suggérer que les personnes du spectre autistique se fient davantage aux processus perceptifs de bas-niveau pour parvenir à compléter les images d’objets fragmentés. Ainsi, lorsque confrontés aux images d’objets partiellement visibles pouvant sembler ambiguës, les individus avec autisme pourraient démontrer plus de difficultés à générer de multiples prédictions au sujet de l’identité d’un objet qu’ils perçoivent. Les implications théoriques et cliniques, les limites et perspectives futures de ces résultats sont discutées.