Corrélats neuronaux de la mémoire de travail en magnétoencéphalographie à l’état de repos

Purpose: There are few studies demonstrating the link between neural oscillations in magnetoencephalography (MEG) at rest and cognitive performance. Working memory is one of the most studied cognitive processes and is the ability to manipulate information on items kept in short-term memory. Heister & al. (2013) showed correlation patterns between brain oscillations at rest in MEG and performance in a working memory task (n-back). These authors showed that delta/theta activity in fronto-parietal areas is related to working memory performance. In this study, we use resting state MEG oscillations to validate these correlations with both of verbal (VWM) and spatial (SWM) working memory, and test their specificity in comparison with other cognitive abilities. Methods: We recorded resting state MEG and used clinical neuropsychological tests to assess working memory performance in 18 volunteers (6 males and 12 females). The other neuropsychological tests of the WAIS-IV were used as control tests to assess the specificity of the correlation patterns with working memory. We calculated means of Power Spectrum Density for different frequency bands (delta, 1-4Hz; theta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13-30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) and correlated MEG power normalised for the maximum in each frequency band at the sensor level with working memory performance. We then grouped the sensors showing a significant correlation by using a cluster algorithm. Results: We found positive correlations between both types of working memory performance and clusters in the bilateral posterior and right fronto-temporal regions for the delta band (r2 =0.73), in the fronto-middle line and right temporal regions for the theta band (r2 =0.63) as well as in the parietal regions for the alpha band (r2 =0.78). Verbal working memory and spatial working memory share a common fronto-parietal cluster of sensors but also show specific clusters. These clusters are specific to working memory, as compared to those obtained for other cognitive abilities and right posterior parietal areas, specially in slow frequencies, appear to be specific to working memory process. Conclusions: Slow frequencies (1-13Hz) but more precisely in delta/theta bands (1-8Hz), recorded at rest with magnetoencephalography, predict working memory performance and support the role of a fronto-parietal network in working memory.L’étude et la caractérisation des oscillations cérébrales au repos en magnétoencéphalographie (MEG) en relation avec les performances cognitives ont été peu étudiées. La mémoire de travail permet la manipulation de l’information sur des éléments qui y sont temporairement stockés. Heister et al. (2013) ont étudié l’association entre la mémoire de travail et les oscillations cérébrales au repos. Leurs résultats mettent en évidence un lien entre la performance dans une tâche de mémoire de travail (n-back) et une activité delta/thêta fronto-pariétale droite. Notre projet utilise la MEG au repos pour valider ces corrélations avec des tests standardisés de mémoire de travail verbale et spatiale, et tester leur spécificité en comparaison avec d’autres capacités cognitives. Méthodologie: Nous avons enregistré 18 participants volontaires (6 hommes et 12 femmes) en magnétoencéphalographie de repos. Nous avons évalué les capacités de mémoire de travail verbale et spatiale au moyen de l’Indice de Mémoire de Travail de l’Échelle d'Intelligence de Wechsler pour Adultes - quatrième édition (WAIS-IV), et le sous test d’Addition Spatiale de l’Échelle Clinique de Mémoire de Wechsler - quatrième édition. Nous avons aussi calculé les corrélations avec les autres Indices du WAIS-IV pour évaluer la spécificité des patrons de corrélation observés avec la mémoire de travail. Nous avons moyenné la puissance de la décomposition spectrale pour chaque bande de fréquence (delta, 1-4Hz; thêta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13- 30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) puis nous avons corrélé cette puissance normalisée par le maximum de chaque bande au niveau des capteurs avec la performance dans un test de mémoire de travail. Nous avons ensuite regroupé les capteurs significatifs en cluster d'intérêt. Résultats: Nous avons mis en évidence une corrélation positive entre la performance en mémoire de travail et les régions fronto-pariétale droite pour la bande delta (r2=0,73), fronto-temporale médiale droite pour la bande thêta (r2=0,63), et pariéto-centrale pour la bande alpha (r2=0,78). Les résultats suggèrent que les mémoires de travail verbale et spatiale partagent un même réseau fronto-pariétal. Chaque type de mémoire de travail a aussi des corrélations spécifiques dans des régions différentes pour certaines banques de fréquence. Comparée à d'autres habiletés cognitives, la mémoire de travail est associée à des patrons de corrélations spécifiques avec le MEG au repos et une région pariétale droite qui semble spécialisée dans les basses fréquences à la mémoire de travail. Conclusions: Les basses fréquences (1-13Hz) et plus précisément delta/thêta (1-8Hz), enregistrées au repos en MEG dans les régions frontales et pariétales, permettent de prédire la performance de mémoire de travail ce qui supporte le rôle d’un réseau fronto-pariétal

Functional neuroimaging (fMRI, PET and MEG): what do we measure?

peer reviewedFunctional cerebral imaging techniques allow the in vivo study of human cognitive and sensorimotor functions in physiological or pathological conditions. In this paper, we review the advantages and limitations of functional magnetic resonance imaging (fMRI), positron emission tomography (PET) and magnetoencephalography (MEG). fMRI and PET measure haemodynamic changes induced by regional changes in neuronal activity. These techniques have a high spatial resolution (a few millimeters), but a poor temporal resolution (a few seconds to several minutes). Electroencephalogram (EEG) and MEG measure the neuronal electrical or magnetic activity with a high temporal resolution (i.e., milliseconds) albeit with a poorer spatial resolution (i.e., a few millimeters to one centimeter). The combination of these different neuroimaging techniques allows studying different components of the brain's activity (e.g., neurovascular coupling, electromagnetic activity) with both a high temporal and spatial resolution

Décompositions parcimonieuses et persistantes de signaux multicanaux. Applications aux signaux MEEG.

International audienceOn considère le problème de la régression parcimonieuse de signaux multicanaux sur des repères temps-fréquences. Les signaux multicanaux sont décomposés sur un unique repère en utilisant des coefficients vectoriels (i.e. multi-canal). La parcimonie apparaît habituellement grâce à des approches type “basis pursuit denoising” : la régression s'effectue en minimisant une fonctionnel qui fait intervenir un terme d'attache aux données 2 , et une pénalité 1 sur les coefficients. Dans cette contribution, cette dernière est remplacée par une norme mixte, qui favorise la parcimonie à l'intérieur d'un canal et la persistance au travers les différents canaux (i.e. un coefficient donné est considéré “actif” dans un groupe de canaux assez large). On montre que l'optimisation des fonctionnels correspondantes se résout à l'aide d'algorithmes de seuillage généralisé itératif. On présente en plus des adaptations pour l'analyse et le débruitage de signaux EEG et MEG, où l'information topographique des canaux est prise en compte

Perception de la parole et oscillations cérébrales chez les enfants neurotypiques et dysphasiques

International audienceAccording to the "prosodic phrasing" hypothesis (Cumming et al., 2015), children with Developmental Language Disorder (DLD) show difficulty extracting low-frequency rhythmic information from the speech signal, hindering syllabic segmentation and leading to phonological and morpho-syntactic impairments. We tested this hypothesis by measuring, using magnetoencephalography, the synchronization between cortical oscillations and speech amplitude envelope in children with DLD paired to typically-developing children when listening to sentences naturally produced at a normal or rapid rate. Our results in the theta frequency band (4-7 Hz) show reduced brain-to-speech coupling in children with DLD, as compared with typically-developing children, 1) in the right auditory cortex at normal rate and 2) left (pre)motor regions at fast rate. To our knowledge, this study brings the first piece of evidence for atypical cortical alignment to speech syllabic rhythm in children with DLD.L'hypothèse "prosodic phrasing" (Cumming et al., 2015) suggère que les enfants dysphasiques présentent des difficultés d'extraction des informations rythmiques de basse fréquence de la parole, entravant la segmentation syllabique et conduisant à des déficits phonologiques et morphosyntaxiques. Nous avons testé cette hypothèse en mesurant, en magnétoencéphalographie, la synchronisation entre les oscillations cérébrales et l'enveloppe temporelle du signal de parole chez des enfants dysphasiques et des enfants neurotypiques lors de l'écoute de phrases produites naturellement à un débit normal ou rapide. Nos résultats dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz) montrent une synchronisation plus faible chez les enfants dysphasiques, comparés aux enfants neurotypiques, 1) dans les régions auditives droites pour la parole à débit normal et 2) dans les régions (pré)motrices gauches pour la parole à débit rapide. Notre étude fournit les premiers éléments à notre connaissance en faveur d'un alignement cortical atypique sur le rythme syllabique dans la dysphasie

Lien entre l'activité pariéto-occipitale enregistrée pendant une tâche de mémoire à court terme visuelle et les habiletés mathématiques : une étude en magnétoencéphalographie

La mémoire à court terme visuelle (MCTv) est un système qui permet le maintien temporaire de l’information visuelle en mémoire. La capacité en mémoire à court terme se définit par le nombre d’items qu’un individu peut maintenir en mémoire sur une courte période de temps et est limitée à environ quatre items. Il a été démontré que la capacité en MCTv et les habiletés mathématiques sont étroitement liées. La MCTv est utile dans beaucoup de composantes liées aux mathématiques, comme la résolution de problèmes, la visualisation mentale et l’arithmétique. En outre, la MCTv et le raisonnement mathématique font appel à des régions similaires du cerveau, notamment dans le cortex pariétal. Le sillon intrapariétal (SIP) semble être particulièrement important, autant dans la réalisation de tâches liées à la MCTv qu’aux habiletés mathématiques. Nous avons créé une tâche de MCTv que 15 participants adultes en santé ont réalisée pendant que nous enregistrions leur activité cérébrale à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes intéressés principalement à la composante SPCM. Une évaluation neuropsychologique a également été administrée aux participants. Nous souhaitions tester l’hypothèse selon laquelle l’activité cérébrale aux capteurs pariéto-occipitaux pendant la tâche de MCTv en MEG sera liée à la performance en mathématiques. Les résultats indiquent que l’amplitude de l’activité pariéto-occipitale pendant la tâche de MCTv permet de prédire les habiletés mathématiques ainsi que la performance dans une tâche de raisonnement perceptif. Ces résultats permettent de confirmer le lien existant entre les habiletés mathématiques et le fonctionnement sous-jacent à la MCTv.Visual short-term memory (VSTM) is a memory system that permits the temporary retention of visual information. Short-term memory capacity can be defined by the amount of information that an individual can remember over a short period of time and is limited to about four items. It was shown that VSTM capacity and mathematical abilities are closely related. VSTM is useful for a lot of components linked to mathematical skills like word problem solving, mental visualisation and arithmetic. Moreover, VSTM and mathematical reasoning activate similar brain regions, mainly within the parietal cortex. The intraparietal sulcus (IPS) appears to be particularly important both in the realization of VSTM tasks and mathematical reasoning tasks. We created a VSTM task which 15 healthy adult participants completed while we recorded their brain activity using magnetoencephalography (MEG). We were mainly interested in the SPCM component. A neuropsychological assessment was also administrated to the participants. We wanted to verify the hypothesis stipulating that cerebral activity recorded at parieto-occipital sensors during the VSTM task should be linked to performance in mathematics. The results indicate that parieto-occipital activity during the VSTM tasks predicted mathematical abilities as well as performance on a perceptive reasoning task. These results confirmed the link existing between mathematical abilities and VSTM functioning

Débruitage par ondelettes en neuroimagerie électromagnétique (MEG)

L’activité cérébrale au repos se manifeste surtout sous forme d’oscillations spontanées. Ces oscillations sont uniques et doivent être analysées cas par cas avec un rapport signal sur bruit faible. Dans une première partie, ce mémoire porte sur un algorithme et son implémentation numérique pour augmenter ce rapport signal sur bruit par une méthode de débruitage par ondelettes, appliqué ici aux enregistrements de magnétoencéphalographie (MEG). Les méthodes actuelles de débruitage par ondelettes ne considèrent pas la covariance spatiale propre à cette décomposition. Ce travail propose et évalue une nouvelle estimation des données en utilisant la représentation par ondelettes discrètes et un modèle de bruit acquis dans un enregistrement MEG «à vide». Ces signaux débruités permettent une localisation des générateurs des oscillations spontanées. Dans une seconde partie, ce mémoire porte sur la localisation d’oscillations, dans le cadre de simulations et de signaux réels. Les résultats montrent que la localisation de sources est plus précise (une augmentation moyenne de 8% de la valeur ROC) pour les données débruitées par cette nouvelle méthode de débruitage. En particulier, ce travail précise la définition de la matrice de variance-covariance spatiale présente dans le problème optimisation du Maximum d’Entropie sur la Moyenne (MEM), résolu dans le problème inverse pour la localisation des sources de l’activité cérébrale

Localisation du langage et de la mémoire verbale en magnétoencéphalographie

Dans le cadre de l’évaluation pré-chirurgicale de patients épileptiques, il est impératif de déterminer la spécialisation hémisphérique du langage, ainsi que de localiser les aires du langage au sein de cet hémisphère. De nouvelles méthodes d’évaluation non- invasives doivent être mises au point afin de diminuer les risques associés aux méthodes plus invasives telles que le test à l’amobarbital intracarotidien (TAI). L’objectif principal de cette thèse est donc de développer un protocole d’évaluation pré-chirurgicale alternatif et non-invasif à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG) pour la latéralisation et la localisation du langage, incluant la mémoire verbale qui serait éventuellement accessible à une population pédiatrique francophone épileptique. L’article 1 présente une recension de la littérature résumant les différentes études en MEG ayant pour objectif l’évaluation pré-chirurgicale du langage. Trente-sept articles en MEG ont été analysés pour déterminer quelles tâches permettaient d’obtenir les meilleurs résultats de latéralisation intrahémisphérique et de localisation du langage pour l’évaluation du langage réceptif et expressif chez des sujets neurologiquement sains et épileptiques. Parmi les tests retenus, l’épreuve de reconnaissance de mots permet d’évaluer le langage réceptif et la mémoire verbale, tandis que des épreuves de fluence verbale telles que la génération de verbes permettent d’évaluer le langage expressif de façon à obtenir de très bons résultats. L’article 2 a permis de valider un protocole auprès de sujets neurologiquement sains à l’aide des épreuves identifiées dans l’article 1. Le protocole utilisé comprend une tâche de langage réceptif et de mémoire verbale (une épreuve de reconnaissance de mots) et une tâche de langage expressif (une épreuve de fluence verbale). Suite à la validation du protocole à l’aide d’analyses par composantes principales, les épreuves ont été administrées à un groupe de patients épileptiques. Les index de latéralité et les analyses de sources i révèlent que la MEG permet de localiser et de latéraliser les fonctions langagières et pourrait donc être utilisée comme méthode d'évaluation du langage lors de l'évaluation pré- chirurgicale auprès de patients épileptiques. Toutefois, alors que l’épreuve de mémoire verbale a permis d’obtenir les meilleurs résultats auprès de l’ensemble des participants, l’épreuve de fluence verbale n’a fourni des informations supplémentaires que chez un seul patient et chez aucun participant neurologiquement sain. En résumé, les deux articles de cette thèse démontrent le potentiel clinique de la MEG pour l’évaluation pré-chirurgicale de patients souffrant d’une épilepsie réfractaire.It is imperative to determine hemispheric dominance of language and to localize language areas in this hemisphere as part of the presurgical evaluation of epileptic patients. New non-invasive evaluation methods should be developed to reduce the risks associated with more invasive methods such as the intracarotid sodium amobarbital procedure (ISAP). The main objective of this dissertation is to develop an alternative non-invasive presurgical evaluation protocol using magnetoencephalography (MEG) to determine the lateralisation and localization of language and verbal memory that would eventually be accessible to a French-speaking paediatric population suffering from epilepsy. Article 1 is a literature review summarizing MEG studies on the presurgical evaluation of language. Thirty-seven articles were analyzed to determine which tasks allow to obtain the best results with regards to language lateralization and localization with MEG in the assessment of receptive and expressive language in neurologically healthy individuals as well as epileptic patients. We conclude that the word recognition task is well suited to assess receptive language and verbal memory, while a verbal fluency task, such as the verb generation task allows the assessment of expressive language with very good results. Article 2 allowed the validation of a language protocol with neurological healthy participants based on the tasks identified in article 1. The protocol included a task evaluating receptive language functions and verbal memory (word recognition task) and a task evaluation expressive language (verbal fluency). After having validated the tasks using principal component analysis, they were administered to a group of patients with epilepsy. Laterality findings and source analysis showed that MEG can be used to lateralize and localize language and could therefore be used in the presurgical assessment of patients with epilepsy. However, the verbal fluency task, when compared to the verbal memory task, provided additional information for only one patient and in none of the neurologically healthy participants. In summary, the two articles of this dissertation demonstrate the clinical potential of MEG for the presurgical evaluation of patients with refractory epilepsy

Assessing neural network dynamics under normal and altered states of consciousness with MEG : methodological challenges and proposed solutions for atypical power spectra

Cette dernière décennie a vu un certain nombre d'avancées significatives en mathématiques, en apprentissage computationnel et en traitement de signal, qui n'ont pas encore été pleinement exploitées en neurosciences. En particulier, l'évaluation de la connectivité dans les réseaux neuronaux peut grandement bénéficier de ces travaux. Nous proposons ici d'exploiter ces outils pour combler partiellement le fossé considérable qui existe encore entre la recherche connectomique à grande échelle (largement centrée sur des mesures indirectes de l'activité cérébrale comme l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)) et les mesures physiologiques plus directes de l'activité cérébrale. Il est particulièrement important de combler ce fossé pour l'étude des propriétés physiologiques associées à divers états de conscience normaux et anormaux, notamment les troubles psychiatriques, le sommeil, l'anesthésie ou les états induits par les drogues. Les travaux récents sur l'induction d'états de conscience altérés par des agonistes non sélectifs de la sérotonine, tels que la psilocybine et le Diéthyllysergamide (LSD), en sont de bons exemples. Au cours des cinq dernières années, une résurgence rapide de la recherche sur la neurobiologie des tryptamines psychédéliques s'est produite, après une interruption d'un demi-siècle. Bien que ces substances présentent un grand potentiel pour éclairer des aspects jusqu'ici non interrogés du fonctionnement normal et anormal du cerveau, l'ampleur et le caractère inhabituel des changements qu'elles provoquent posent de sérieux défis aux chercheurs. La découverte de méthodes convaincantes et évolutives pour étudier ces données est d'une grande importance si nous voulons tirer parti de la fenêtre unique que ces substances atypiques offrent sur les aspects centraux de la conscience et des fonctions cérébrales anormales. Dans la présente thèse, nous résumons l'état actuel de la neuro-imagerie électrophysiologique en ce qui concerne l'étude des tryptamines psychédéliques, et nous démontrons un certain nombre de lacunes évidentes dans la recherche électrophysiologique actuelle sur les psychédéliques. Nous offrons également quelques modestes contributions méthodologiques au domaine. L'utilité de ces contributions est soutenue par quelques résultats empiriques intrigants, bien que préliminaires. Dans le premier chapitre, nous présentons l'histoire de la recherche neuroscientifique sur le LSD. Il a été rapporté que le LSD induit des déplacements de pics dans les spectres de puissance, en même temps que des diminutions de l'amplitude des pics. Le fait que ces effets soient liés entre eux et que la plupart des recherches menées jusqu'à présent n'aient pas cherché à les distinguer est uniformément négligé dans la littérature, ce qui, selon nous, peut conduire à de fausses interprétations. Le chapitre 2 examine certains des avantages plausibles ainsi que les obstacles sérieux à la recherche sur la connectivité du cerveau entier par magnétoencéphalographie (MEG), et propose plusieurs stratégies pour surmonter ces limites méthodologiques. Celles-ci comprennent des stratégies d'imagerie de source convaincantes, des développements nouveaux et récents dans la décomposition spectrale, des mesures de connectivité insensibles à la conduction volumique, et des implémentations évolutives de métriques de couplage interfréquence bien établies. Nous montrons que ces techniques peuvent être étendues à une grille corticale et sous-corticale de plus haute résolution que celle qui existe actuellement. Nous discutons également d'une mise en œuvre allégée de statistiques non paramétriques adaptées à ces données. Le troisième chapitre a pour but de démontrer l'efficacité de ces procédures, en montrant les résultats empiriques d'une étude de la connectivité du cerveau entier sous LSD par MEG. Le quatrième et dernier chapitre discute de ces résultats, ainsi que des précautions nécessaires et des orientations futures prometteuses pour ce type de recherche. Il propose des approches computationnelles supplémentaires qui pourraient étendre la portée de ces recherches et, plus généralement, de l'électrophysiologie du cerveau entier. Dans l'ensemble, le cadre méthodologique proposé dans ce travail surmonte les limitations endémiques précédentes, non seulement dans la recherche sur les psychédéliques, mais aussi dans la recherche électrophysiologique en général, et jette une lumière nouvelle sur sur les mécanismes centraux qui sous-tendent ces états de conscience anormaux, ainsi que sur les importantes précautions à prendre dans la recherche électrophysiologique.The past decade has seen a number of significant advances in mathematics, computational learning, and signal processing, which have yet to be deployed in neuroscience. In particular the assessment of connectivity in neural networks has much to gain from this work. Here we propose these tools be leveraged to partially bridge the considerable gap that still exists between large-scale connectomics research (largely centered around indirect measures of brain activity such as fMRI), and more direct, physiological measures of brain activity. Bridging this gap is especially important to the study of physiological properties associated with various normal and abnormal states of consciousness including Psychiatric conditions, sleep, anaesthesia or drug-induced states. Exemplary of such research, is recent work surrounding the induction of altered states of consciousness by non-selective serotonin agonists such as Psilocybin and LSD. During the past five years, a rapid resurgence of research into the neurobiology of Psychedelic tryptamines has transpired, following a half-century hiatus. While these substances hold great potential to illuminate hitherto uninterrogated aspects of normal and abnormal brain function, the scope and unusual character of the changes they illicit pose serious challenges to researchers. Uncovering cogent and scalable methods for investigating such data is a matter of great importance if we are to leverage the unique window such atypical substances provide into central aspects of consciousness and abnormal brain function. In the present thesis, we summarize the current state of electrophysiological neuroimaging as it pertains to the study of Psychedelic tryptamines, and demonstrate a number of clear shortcomings in current electrophysiological research on Psychedelics. We also offer some modest methodological contributions to the field. The utility of these contributions is supported by some intriguing, albeit preliminary, empirical findings. In the first chapter, we present the history of neuroscientific research on LSD. LSD has been reported to induce peak shifts in power spectra, alongside decreases in peak amplitude. The fact that these effects are inter-related and most research so far has not sought to disambiguate them is uniformly overlooked in the literature, which we believe may lead to false interpretations. Chapter Two discusses some of the plausible advantages as well as serious barriers to whole-brain connectivity research in MEG, proposing several strategies to overcome these methodological limitations. These include cogent source imaging strategies, novel and recent developments in spectral decomposition, connectivity measures insensitive to volume conduction, and scalable implementations of well-established cross-frequency coupling metrics. We show that these techniques can be extended to a higher resolution cortical and subcortical grid than previously shown. We also discuss a lightweight implementation of non-parametric statistics suitable to such data. Chapter Three serves to demonstrate the efficacy of these procedures, showing empirical results from a whole-brain study of connectivity under LSD in MEG. The fourth and final chapter discusses these results, as well as necessary precautions and promising future directions for this kind of research. It proposes additional computational approaches that might extend the scope of such research and whole-brain electrophysiology more generally. Taken together, the methodological framework proposed in this work overcomes previous limitations endemic not only in Psychedelics research, but electrophysiological research broadly, and sheds new light on central mechanisms underlying these abnormal states of consciousness, as well as important precautions in electrophysiological research

Méthodes entropiques appliqués au problème inverse en magnétoencéphalographie

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal