Le développement visuel et cognitif chez les enfants nés à terme ou prématurément

Au cours des 25 dernières années, les recherches sur le développement visuel chez l’humain à l’aide de l’électrophysiologie cérébrale et des potentiels évoqués visuels (PEV) ont permis d’explorer plusieurs fonctions associées au cortex visuel. Néanmoins, le développement de certaines d’entre elles (p. ex. segmentation des textures), tout comme les effets de la prématurité sur celles-ci, sont des aspects qui nécessitent d’être davantage étudiés. Par ailleurs, compte tenu de l’importance de la vision dans le développement de certaines fonctions cognitives (p. ex. lecture, visuomotricité), de plus en plus de recherches s’intéressent aux relations entre la vision et la cognition. Les objectifs généraux de la présente thèse étaient d’étudier le développement visuel chez les enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide de l’électrophysiologie, puis de documenter les impacts de la prématurité sur le développement visuel et cognitif. Deux études ont été réalisées. La première visait à examiner, chez des enfants nés prématurément, le développement des voies visuelles primaires durant la première année de vie et en début de scolarisation, ainsi qu’à documenter leur profil cognitif et comportemental. À l’aide d’un devis semi-longitudinal, dix enfants nés prématurément ont été évalués à l’âge de six mois (âge corrigé) et à 7-8 ans en utilisant des PEV, et des épreuves cognitives et comportementales à l’âge scolaire. Leurs résultats ont été comparés à ceux de 10 enfants nés à terme appariés pour l’âge. À six mois, aucune différence de latence ou d’amplitude des ondes N1 et P1 n’a été trouvée entre les groupes. À l’âge scolaire, les enfants nés prématurément montraient, comparativement aux enfants nés à terme, une plus grande amplitude de N1 dans la condition P-préférentielle et dans celle co-stimulant les voies M et P, et de P1 (tendance) dans la condition M-préférentielle. Aucune différence n’a été trouvée entre les groupes aux mesures cognitives et comportementales. Ces résultats suggèrent qu’une naissance prématurée exerce un impact sur le développement des voies visuelles centrales. L’objectif de la seconde étude était de documenter le développement des processus de segmentation visuelle des textures durant la petite enfance chez des enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide des PEV et d’un devis transversal. Quarante-cinq enfants nés à terme et 43 enfants nés prématurément ont été évalués à 12, 24 ou 36 mois (âge corrigé pour les prématurés à 12 et 24 mois). Les résultats indiquaient une diminution significative de la latence de la composante N2 entre 12 et 36 mois en réponse à l’orientation, à la texture et à la segmentation des textures, ainsi qu’une diminution significative d’amplitude pour l’orientation entre 12 et 24 mois, et pour la texture entre 12 et 24 mois, et 12 et 36 mois. Les comparaisons entre les enfants nés à terme et ceux nés prématurément démontraient une amplitude de N2 réduite chez ces derniers à 12 mois pour l’orientation et la texture. Bien que ces différences ne fussent plus apparentes à 24 mois, nos résultats semblent refléter un délai de maturation des processus visuel de bas et de plus haut niveau chez les enfants nés prématurément, du moins, pendant la petite enfance. En conclusion, nos résultats indiquent que la prématurité, même sans atteinte neurologique importante, altère le développement des fonctions visuelles à certaines périodes du développement et mettent en évidence l’importance d’en investiguer davantage les impacts (p. ex. cognitifs, comportementaux, scolaires) à moyen et long-terme.

L'impact du vieillissement neuroanatomique sur les ondes lentes du sommeil

Les ondes lentes (OL) sur l’électroencéphalogramme caractérisent le sommeil dit lent. Leur production dépend de la synchronisation de l’activité neuronale dans un large réseau néocortical. Les OL présentent d’importants changements au cours du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. L’objectif de ce mémoire est d’évaluer la contribution de l’amincissement cortical dans les modifications des caractéristiques des OL durant l’âge adulte. Notre étude montre que la densité (nb/min) et l’amplitude (µV) des OL est liée à l’épaisseur de plusieurs régions du cortex chez des sujets jeunes et âgés. Toutefois, la pente des OL (µV/s) n’a pas semblé en relation avec la neuroanatomie. Des analyses de médiation montrent que la diminution de la densité des OL chez les personnes âgés s’explique par l’amincissement de gyri frontaux et temporaux, alors que les effets de l’âge sur l’amplitude des OL s’expliquent par l’amincissement d’un ensemble plus grand de régions corticales.

Surveillance non invasive de la réponse neuroimmunitaire fœtale à l’infection

Introduction. In utero, l’infection des membranes maternelles et fœtales, la chorioamniotite, passe souvent inaperçue et, en particulier lorsque associée à une acidémie, due à l’occlusion du cordon ombilical (OCO), comme il se produirait au cours du travail, peut entrainer des lésions cérébrales et avoir des répercussions neurologiques péri - et postnatales à long terme chez le fœtus. Il n'existe actuellement aucun moyen de détecter précocement ces conditions pathologiques in utéro afin de prévenir ou de limiter ces atteintes. Hypothèses. 1)l’électroencéphalogramme (EEG) fœtal obtenu du scalp fœtal pourrait servir d’outil auxiliaire à la surveillance électronique fœtale du rythme cardiaque fœtal (RCF) pour la détection précoce d'acidémie fœtale et d'agression neurologique; 2) la fréquence d’échantillonnage de l’ECG fœtal (ECGf) a un impact important sur le monitoring continu de la Variabilité du Rythme Cardiaque (VRCf) dans la prédiction de l’acidémie fœtale ; 3) les patrons de la corrélation de la VRCf aux cytokines pro-inflammatoires refléteront les états de réponses spontanées versus inflammatoires de la Voie Cholinergique Anti-inflammatoire (VCA); 4) grâce au développement d’un modèle de prédictions mathématiques, la prédiction du pH et de l’excès de base (EB) à la naissance sera possible avec seulement une heure de monitoring d’ECGf. Méthodes. Dans une série d’études fondamentales et cliniques, en utilisant respectivement le mouton et une cohorte de femmes en travail comme modèle expérimental et clinique , nous avons modélisé 1) une situation d’hypoxie cérébrale résultant de séquences d’occlusion du cordon ombilical de sévérité croissante jusqu’à atteindre un pH critique limite de 7.00 comme méthode expérimentale analogue au travail humain pour tester les première et deuxième hypothèses 2) un inflammation fœtale modérée en administrant le LPS à une autre cohorte animale pour vérifier la troisième hypothèse et 3) un modèle mathématique de prédictions à partir de paramètres et mesures validés cliniquement qui permettraient de déterminer les facteurs de prédiction d’une détresse fœtale pour tester la dernière hypothèse. Résultats. Les séries d’OCO répétitives se sont soldés par une acidose marquée (pH artériel 7.35±0.01 à 7.00±0.01), une diminution des amplitudes à l'électroencéphalogramme( EEG) synchronisé avec les décélérations du RCF induites par les OCO accompagnées d'une baisse pathologique de la pression artérielle (PA) et une augmentation marquée de VRCf avec hypoxie-acidémie aggravante à 1000 Hz, mais pas à 4 Hz, fréquence d’échantillonnage utilisée en clinique. L’administration du LPS entraîne une inflammation systémique chez le fœtus avec les IL-6 atteignant un pic 3 h après et des modifications de la VRCf retraçant précisément ce profil temporel des cytokines. En clinique, avec nos cohortes originale et de validation, un modèle statistique basée sur une matrice de 103 mesures de VRCf (R2 = 0,90, P < 0,001) permettent de prédire le pH mais pas l’EB, avec une heure d’enregistrement du RCF avant la poussée. Conclusions. La diminution de l'amplitude à l'EEG suggère un mécanisme d'arrêt adaptatif neuroprotecteur du cerveau et suggère que l'EEG fœtal puisse être un complément utile à la surveillance du RCF pendant le travail à haut risque chez la femme. La VRCf étant capable de détecter une hypoxie-acidémie aggravante tôt chez le fœtus à 1000Hz vs 4 Hz évoque qu’un mode d'acquisition d’ECG fœtal plus sensible pourrait constituer une solution. Des profils distinctifs de mesures de la VRCf, identifiés en corrélation avec les niveaux de l'inflammation, ouvre une nouvelle voie pour caractériser le profil inflammatoire de la réponse fœtale à l’infection. En clinique, un monitoring de chevet de prédiction du pH et EB à la naissance, à partir de mesures de VRCf permettrait des interprétations visuelles plus explicites pour des prises de décision plus exactes en obstétrique au cours du travail.

Changements corticaux et sous-corticaux des événements du sommeil lent au cours du vieillissement

Les avancées techniques et méthodologiques de la neuroscience ont permis de caractériser le sommeil comme un état actif et dynamique où des événements neuronaux cohésifs organisent les fonctions cérébrales. Les fuseaux de sommeil et les ondes lentes sont les marqueurs électroencéphalographiques de ces événements, et la mesure de leurs paramètres reflète et nuance les interactions neuronales à l’oeuvre pendant le sommeil lent. Considérant leur implication dans les fonctions hypniques et cognitives, les événements du sommeil lent sont particulièrement pertinents à l’étude du vieillissement, où l’intégrité de ces fonctions est mise au défi. Le vieillissement normal s’accompagne non seulement de réductions importantes des paramètres composant les événements du sommeil lent, mais aussi de modifications précises de l’intégrité anatomique et fonctionnelle du cerveau. Récemment, les études ont souligné la régulation locale des événements du sommeil lent, dont l’évolution avec l’âge demeure toutefois peu explorée. Le présent ouvrage se propose de documenter les liens unissant la neurophysiologie du sommeil, le vieillissement normal et l’activité régionale du cerveau par l’évaluation topographique et hémodynamique des événements du sommeil lent au cours du vieillissement. Dans une première étude, la densité, la durée, l’amplitude et la fréquence des fuseaux de sommeil ont été évaluées chez trois groupes d’âge au moyen de l’analyse topographique et paramétrique de l’électroencéphalogramme. Dans une seconde étude, les variations hémodynamiques associées à l’occurrence et modulées par l’amplitude des ondes lentes ont été évaluées chez deux groupes d’âge au moyen de l’électroencéphalographie combinée à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Globalement, les résultats obtenus ont indiqué : 1) une dichotomie des aires corticales antérieures et postérieures quant aux effets d’âge sur les paramètres des fuseaux de sommeil; 2) des variations de la réponse hémodynamique associées aux ondes lentes dans une diversité de régions corticales et sous-corticales chez les personnes âgées. Ces résultats suggèrent la réorganisation fonctionnelle de l’activité neuronale en sommeil lent à travers l’âge adulte, soulignent l’utilité et la sensibilité des événements du sommeil lent comme marqueurs de vieillissement cérébral, et encouragent la recherche sur l’évolution des mécanismes de plasticité synaptique, de récupération cellulaire et de consolidation du sommeil avec l’âge.

Complexity quantification of dense array EEG using sample entropy analysis

n this paper, a time series complexity analysis of dense array electroencephalogram signals is carried out using the recently introduced Sample Entropy (SampEn) measure. This statistic quantifies the regularity in signals recorded from systems that can vary from the purely deterministic to purely stochastic realm. The present analysis is conducted with an objective of gaining insight into complexity variations related to changing brain dynamics for EEG recorded from the three cases of passive, eyes closed condition, a mental arithmetic task and the same mental task carried out after a physical exertion task. It is observed that the statistic is a robust quantifier of complexity suited for short physiological signals such as the EEG and it points to the specific brain regions that exhibit lowered complexity during the mental task state as compared to a passive, relaxed state. In the case of mental tasks carried out before and after the performance of a physical exercise, the statistic can detect the variations brought in by the intermediate fatigue inducing exercise period. This enhances its utility in detecting subtle changes in the brain state that can find wider scope for applications in EEG based brain studies.

Evaluación de la pertinencia en la solicitud del electroencefalograma en la Fundación Cardio Infantil IC

Introducción: En este estudio se realiza un análisis sobre la pertinencia en la solicitud del electroencefalograma (EEG), por parte de las diferentes especialidades médicas en la Fundación Cardio-Infantil-IC. Objetivos: Determinar la pertinencia de la solicitud de electroencefalogramas en la Fundación Cardio-Infantil IC, en el período de tiempo comprendido entre enero de 2008 a septiembre de 2008. Cuantificar que cantidad de médicos se adhiere a las guías basadas en la evidencia para la solicitud del electroencefalograma Metodología: Estudio retrospectivo, descriptivo de corte transversal, toma como muestra los electroencefalogramas realizados en el período comprendido entre enero de 2008 a septiembre de 2008, en la Fundación Cardio Infantil- IC. Se analizaron 1211 electroencefalogramas. Resultados: Se encontró que la pertinencia en la solicitud de electroencefalogramas es mayor en el servicio de neurología, con un 95.2%, seguido de las especialidades médicas con una pertinencia del 90.5%, neuropediatría 90.2%, especialidades quirúrgicas 77.2% y medicina general con un 55.4% de solicitudes pertinentes. Discusión: El uso racional de las pruebas diagnósticas es un tema bien documentado en la literatura, con este estudio se observó que la solicitud de EEG en la institución tiene un sustento apropiado, siguiendo las indicaciones de las guías médicas basadas en la evidencia; Sin embargo, es necesario continuar con la realización de estudios y estrategias que garanticen una formación continúa de los diferentes profesionales, para mejorar la adherencia a las recomendaciones de la literatura no sólo para la solicitud de electroencefalogramas, sino también de otras pruebas diagnósticas, garantizando una atención más segura, pertinente y costo efectiva.

Efectividad del tratamiento con neurofeedback en trastornos del estado del ánimo, ansiedad y fibromialgia: una revisión de literatura

El neurofeedback es una técnica no invasiva en la que se pretende corregir, mediante condicionamiento operante, ondas cerebrales que se encuentren alteradas en el electroencefalograma. Desde 1967, se han conducido numerosas investigaciones relacionadas con los efectos de la técnica en el tratamiento de alteraciones psicológicas. Sin embargo, a la fecha no existen revisiones sistemáticas que reúnan los temas que serán aquí tratados. El aporte de este trabajo es la revisión de 56 artículos, publicados entre los años 1995 y 2013 y la evaluación metodológica de 29 estudios incluidos en la revisión. La búsqueda fue acotada a la efectividad del neurofeedback en el tratamiento de depresión, ansiedad, trastorno obsesivo compulsivo (TOC), ira y fibromialgia. Los hallazgos demuestran que el neurofeedback ha tenido resultados positivos en el tratamiento de estos trastornos, sin embargo, es una técnica que aún está en desarrollo, con unas bases teóricas no muy bien establecidas y cuyos resultados necesitan de diseños metodológicamente más sólidos que ratifiquen su validez.

Simulating global properties of electroencephalograms with minimal random neural networks

The human electroencephalogram (EEG) is globally characterized by a 1/f power spectrum superimposed with certain peaks, whereby the "alpha peak" in a frequency range of 8-14 Hz is the most prominent one for relaxed states of wakefulness. We present simulations of a minimal dynamical network model of leaky integrator neurons attached to the nodes of an evolving directed and weighted random graph (an Erdos-Renyi graph). We derive a model of the dendritic field potential (DFP) for the neurons leading to a simulated EEG that describes the global activity of the network. Depending on the network size, we find an oscillatory transition of the simulated EEG when the network reaches a critical connectivity. This transition, indicated by a suitably defined order parameter, is reflected by a sudden change of the network's topology when super-cycles are formed from merging isolated loops. After the oscillatory transition, the power spectra of simulated EEG time series exhibit a 1/f continuum superimposed with certain peaks. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Robustness of mutual information to inter-subject variability for automatic artefact removal from EEG

The externally recorded electroencephalogram (EEG) is contaminated with signals that do not originate from the brain, collectively known as artefacts. Thus, EEG signals must be cleaned prior to any further analysis. In particular, if the EEG is to be used in online applications such as Brain-Computer Interfaces (BCIs) the removal of artefacts must be performed in an automatic manner. This paper investigates the robustness of Mutual Information based features to inter-subject variability for use in an automatic artefact removal system. The system is based on the separation of EEG recordings into independent components using a temporal ICA method, RADICAL, and the utilisation of a Support Vector Machine for classification of the components into EEG and artefact signals. High accuracy and robustness to inter-subject variability is achieved.

Single-trial event-related potential analysis for brain-computer interfaces

Abstract. Different types of mental activity are utilised as an input in Brain-Computer Interface (BCI) systems. One such activity type is based on Event-Related Potentials (ERPs). The characteristics of ERPs are not visible in single-trials, thus averaging over a number of trials is necessary before the signals become usable. An improvement in ERP-based BCI operation and system usability could be obtained if the use of single-trial ERP data was possible. The method of Independent Component Analysis (ICA) can be utilised to separate single-trial recordings of ERP data into components that correspond to ERP characteristics, background electroencephalogram (EEG) activity and other components with non- cerebral origin. Choice of specific components and their use to reconstruct “denoised” single-trial data could improve the signal quality, thus allowing the successful use of single-trial data without the need for averaging. This paper assesses single-trial ERP signals reconstructed using a selection of estimated components from the application of ICA on the raw ERP data. Signal improvement is measured using Contrast-To-Noise measures. It was found that such analysis improves the signal quality in all single-trials.

Rejoinder to 'Performance of different synchronisation measures in real data: A case study on electroencephalograhic signals

We agree with Duckrow and Albano [Phys. Rev. E 67, 063901 (2003)] and Quian Quiroga et al. [Phys. Rev. E 67, 063902 (2003)] that mutual information (MI) is a useful measure of dependence for electroencephalogram (EEG) data, but we show that the improvement seen in the performance of MI on extracting dependence trends from EEG is more dependent on the type of MI estimator rather than any embedding technique used. In an independent study we conducted in search for an optimal MI estimator, and in particular for EEG applications, we examined the performance of a number of MI estimators on the data set used by Quian Quiroga et al. in their original study, where the performance of different dependence measures on real data was investigated [Phys. Rev. E 65, 041903 (2002)]. We show that for EEG applications the best performance among the investigated estimators is achieved by k-nearest neighbors, which supports the conjecture by Quian Quiroga et al. in Phys. Rev. E 67, 063902 (2003) that the nearest neighbor estimator is the most precise method for estimating MI.

Comment on "Performance of different synchronization measures in real data: A case study on electroencephalographic signals"

We agree with Duckrow and Albano [Phys. Rev. E 67, 063901 (2003)] and Quian Quiroga [Phys. Rev. E 67, 063902 (2003)] that mutual information (MI) is a useful measure of dependence for electroencephalogram (EEG) data, but we show that the improvement seen in the performance of MI on extracting dependence trends from EEG is more dependent on the type of MI estimator rather than any embedding technique used. In an independent study we conducted in search for an optimal MI estimator, and in particular for EEG applications, we examined the performance of a number of MI estimators on the data set used by Quian Quiroga in their original study, where the performance of different dependence measures on real data was investigated [Phys. Rev. E 65, 041903 (2002)]. We show that for EEG applications the best performance among the investigated estimators is achieved by k-nearest neighbors, which supports the conjecture by Quian Quiroga in Phys. Rev. E 67, 063902 (2003) that the nearest neighbor estimator is the most precise method for estimating MI.

Bridging a yawning chasm: EEG investigations into the debate concerning the role of the human mirror neuron system in contagious yawning

Ongoing debate in the literature concerns whether there is a link between contagious yawning and the human mirror neuron system (hMNS). One way of examining this issue is with the use of the electroencephalogram (EEG) to measure changes in mu activation during the observation of yawns. Mu oscillations are seen in the alpha bandwidth of the EEG (8–12 Hz) over sensorimotor areas. Previous work has shown that mu suppression is a useful index of hMNS activation and is sensitive to individual differences in empathy. In two experiments, we presented participants with videos of either people yawning or control stimuli. We found greater mu suppression for yawns than for controls over right motor and premotor areas, particularly for those scoring higher on traits of empathy. In a third experiment, auditory recordings of yawns were compared against electronically scrambled versions of the same yawns. We observed greater mu suppression for yawns than for the controls over right lateral premotor areas. Again, these findings were driven by those scoring highly on empathy. The results from these experiments support the notion that the hMNS is involved in contagious yawning, emphasise the link between contagious yawning and empathy, and stress the importance of good control stimuli.

EEG activation differences in the pre-motor cortex and supplementary motor area between normal individuals with high and low traits of autism

The human mirror neuron system (hMNS) is believed to provide a basic mechanism for social cognition. Event-related desynchronization (ERD) in alpha (8–12 Hz) and low beta band (12–20 Hz) over sensori-motor cortex has been suggested to index mirror neurons' activity. We tested whether autistic traits revealed by high and low scores on the Autistic Quotient (AQ) in the normal population are linked to variations in the electroencephalogram (EEG) over motor, pre-motor cortex and supplementary motor area (SMA) during action observation. Results revealed that in the low AQ group, the pre-motor cortex and SMA were more active during hand action than static hand observation whereas in the high AQ group the same areas were active both during static and hand action observation. In fact participants with high traits of autism showed greater low beta ERD while observing the static hand than those with low traits and this low beta ERD was not significantly different when they watched hand actions. Over primary motor cortex, the classical alpha and low beta ERD during hand actions relative to static hand observation was found across all participants. These findings suggest that the observation–execution matching system works differently according to the degree of autism traits in the normal population and that this is differentiated in terms of the EEG according to scalp site and bandwidth.

Testing for significance of phase synchronisation dynamics in the EEG

A number of tests exist to check for statistical significance of phase synchronisation within the Electroencephalogram (EEG); however, the majority suffer from a lack of generality and applicability. They may also fail to account for temporal dynamics in the phase synchronisation, regarding synchronisation as a constant state instead of a dynamical process. Therefore, a novel test is developed for identifying the statistical significance of phase synchronisation based upon a combination of work characterising temporal dynamics of multivariate time-series and Markov modelling. We show how this method is better able to assess the significance of phase synchronisation than a range of commonly used significance tests. We also show how the method may be applied to identify and classify significantly different phase synchronisation dynamics in both univariate and multivariate datasets.