Development of tools and paradigms to assess brain cortical activity during cognitive tasks

Abstract

Monitoring brain cortical activity is essential to decipher and understand neurophysiological behaviour.

A wide amount of tools and experimental setups has been developed to stimulate, record and analyze brain activity.

The identification of quantitative metrics to assess this activity during specific tasks remains an essential requirement, as it could lead to improve diagnostics, describe objectively self-assessed condition, or track variation during long-term studies.

This thesis introduces the development of tools and paradigms to assess brain cortical activity during cognitive tasks. It introduces a complete set of analyses based on EEG signals, under two main scopes, schizophrenia and postural control.

The first part of the work evaluates the impact of a potential therapeutic solution for patients with schizophrenia. A longitudinal study case is introduced, where psychometrics data are compared with three types of analysis from EEG data: temporal, spectral and connectivity. The small sample size prevents us to draw definitive conclusion, however, this work reveals the interest to use EEG-based metrics to complete the standard psychometrics assessment.

The second part of the work focuses on postural control, using a novel measurement setup, called BioVRSea, combining virtual reality and a moving platform. The brain cortical activity of more than 150 healthy individuals have been investigated during this experiment. A robust neurophysiological reference has been identified using power spectral density. Moreover, combining brain connectivity and microstate segmentation, network dynamics reveal a coherent brain remodeling throughout the acquisition, strengthening our current knowledge regarding complex postural control.

The current work highlights the concrete benefit of using EEG signal to decipher brain cortical activity. The tools developed in this thesis are of interest to build a neurophysiological signature of specific cognitive tasks, that will be crucial for a further understanding of neurodegenerative disease.

Að fylgjast með starfsemi heilaberki er nauðsynlegt til að útskýra og skilja tauga-lífeðlisfræðilega hegðun. Fjölbreytt útval af tólum og tilraunauppsetningum hefur verið þróað til að örva, vista og greina heilastarfsemi. Það er nauðsynleg krafa að finna magnmælingu til að greina þessa starfsemi í ákveðnu verkefni, því það gæti leitt að beturumbættu greiningarferli, útskýrt hlutlægu sjálfsmats ástandi, eða fylgst með breytingum í lang-tíma rannsóknum. Þessi ritgerð kynnir þróunn tóla og hugmyndafræði til að meta heilaberka starfsemi við vitræn verkefni. Ritgerðinn kynnir heilt safn af greiningum byggt á EEG merkj- um, í tvem megin sviðum, geðklofa og líkamsstöðustjórnun. Fyrsti hluti verkefnisins metur áhrifin af mögulegum meðferðarlegum lausnum fyrir sjúklinga með geðklofa. Kynnt er langtímarannsóknartilvik, þar sem þar sem sálfræðigögn eru borin saman við þrenns konar greiningar úr heilarita gögnum: tímabundnum, litrófs- og tengingum. Lítil úrtaksstærð kemur í veg fyrir að við getum dregið endanlegar ályktanir, en þessi vinna sýnir áhugann á því að nota heilalínuritaða mælikvarða til að ljúka stöðluðu sálfræðimati. Annar hluti verksins fjallar um líkamsstöðustýringu, með því að nota nýja mæling- aruppsetningu, sem kallast BioVRSea, sem sameinar sýndarveruleika og hreyfanlegan vettvang. Heilabarkarvirkni af meira en 150 heilbrigðra einstaklinga hefur verið rann- sökuð í þessari tilraun. Öflug taugalífeðlisfræðileg tilvísun hefur fundist með því að nota kraftrófsþéttleika. Þar að auki, með því að sameina heilatengingu og örstöðu- skiptingu, sýnir netverkun samfellda endurgerð heilans í gegnum tökuna, sem styrkir núverandi þekkingu okkar varðandi flókna líkamsstöðustjórnun. Þessi rannsókn undirstrikar raunverulegan ávinning af því að nota EEG merki til að ráða virkni heilabarka. Tólin sem þróuð eru í þessari ritgerð eru mikilvæg til að byggja upp taugalífeðlisfræðilega undirskrift ákveðinna vitræna verkefna, sem mikilvæg eru fyrir frekari skilning á taugahrörnunarsjúkdómum.