Soutenance de thèse de Méyi DULEME

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la signature neurophysiologique de la variation de la charge en mémoire de travail. Ce manuscrit est organisé selon deux grands axes. Le premier axe correspond à un état de l’art de l’étude de la charge en mémoire de travail. La mémoire de travail est une structure ou un ensemble de processus dédiés au contrôle et à la régulation des traitements pour la réalisation d’une tâche. Étant donné que la littérature est riche de résultats obtenus à de multiples échelles (neurone, champ local, aire cérébrales, scalp entier, comportement), il est tentant de proposer un point de vue intégratif, que nous avons souhaité aborder ici. Durant les dernières décennies, la communication entre les différentes disciplines scientifiques a évolué : des neurosciences à l’ergonomie, en passant par les mathématiques et l’informatique, avec des « touches » de physique. Par conséquent, l’analyse intégrée du système distribué et multi-échelles qu’est la mémoire de travail est aujourd’hui envisageable. C’est dans ce cadre de référence que se situe le présent travail. Le second axe de ce manuscrit est donc naturellement la description des travaux empiriques effectués durant la thèse. La première étape a été une investigation sur le terrain. Le cadre d’application de nos travaux étant la gestion de crise, nous avons sondé les participants de simulations de cellule de crise au Laboratoire des Sciences du Risque (LSR, Institut Lines Télécom Mines Alès). Ce dispositif est un environnement semi-virtuel de formation à la gestion stratégique de crise, basé sur la simulation multi-agents. Notre hypothèse selon laquelle l’environnement de cellule de crise induit une augmentation importante de la charge cognitive ressentie a été vérifiée à l’aide de ce questionnaire. L’étape suivante a été la conception et l’implémentation du protocole expérimental. En effet, il existe différentes approches possibles pour l’étude de la charge en mémoire de travail. Nous avons enregistré le signal EEG du scalp entier de douze participants en bonne santé, alors qu'ils effectuaient une tâche de n-back visuo-spatiale suivant trois conditions de difficulté croissante, après une phase d'apprentissage initiale. Nous avons alors analysé les perturbations spectrales évoquées, et eu recours au décodage au cours du temps des synchronisations des ondes corticales au niveau individuel. Nous avons émis l'hypothèse que les synchronisations qui sous-tendent les diverses fonctions cognitives intégrées à la charge en mémoire de travail sont potentiellement séquencées dans le temps pour éviter des interférences. Nous avons également supposé que la modulation transitoire de la précision du décodage de la difficulté de la tâche varierait avec l'augmentation de la difficulté. De manière surprenante, nos résultats ont décelé un décodage persistant au-dessus du niveau de chance pour les bandes de fréquences concaténées. Ce résultat surprenant est en fait un indice encourageant pour la mise en place d’un monitoring en conditions opérationnelles. Le monitoring est le suivi d’un biosignal mesurable et pertinent pour la détection en direct d’une variation anormale. Dans ce cadre, l'évolution dans le temps du signal doit être indicative de la variable d'intérêt. Dans notre cas, l’EEG dans le domaine fréquentiel est notre signal mesurable, il est indicatif de la variation de la charge en mémoire de travail. Il serait intéressant de savoir dans quelle mesure les résultats obtenus dans des conditions expérimentales sont applicables à une situation écologique et peuvent être combinés à d’autres mesures neurophysiologiques. L’enjeu est d’aller vers un environnement de travail plus flexible et plus adaptable à l’humain dans des conditions opérationnelles. 

In this thesis, we are interested in the neurophysiological signature of the variation of the working memory load. This manuscript is organized along two main axes. The first axis corresponds to a state of the art of the study of working memory load. Working memory is a structure or a set of processes dedicated to the control and regulation of processing for the realization of a task. Given that the literature is rich in results obtained at multiple scales (neuron, local field, brain area, whole scalp, behavior), it is tempting to propose an integrative point of view, which we wished to address here. During the last decades, the communication between different scientific disciplines has evolved: from neuroscience to ergonomics, through mathematics and computer science, with "touches" of physics. As a consequence, the integrated analysis of the distributed and multi-scale system that is working memory is now possible. It is in this frame of reference that the present work is situated. The second axis of this manuscript is therefore naturally the description of the empirical work done during the thesis. The first step was a field investigation. The framework of application of our work being crisis management, we surveyed the participants of crisis cell simulations at the Laboratoire des Sciences du Risque (LSR, Institut Lines Télécom Mines Alès). This device is a semi-virtual training environment for strategic crisis management, based on multi-agent simulation. Our hypothesis that the crisis cell environment induces a significant increase in the perceived cognitive load was tested using this questionnaire. The next step was the design and implementation of the experimental protocol. Indeed, there are different possible approaches for the study of working memory load. We recorded the whole scalp EEG signal of twelve healthy participants while they performed a visual-spatial n-back task in three conditions of increasing difficulty, after an initial learning phase. We then analyzed the evoked spectral perturbations, and used time course decoding of cortical wave synchronizations at the individual level. We hypothesized that the synchronizations underlying the various cognitive functions embedded in the working memory load are potentially sequenced in time to avoid interference. We also hypothesized that the transient modulation of decoding accuracy of task difficulty would vary with increasing difficulty. Surprisingly, our results detected persistent decoding above chance level for concatenated frequency bands. This surprising result is in fact an encouraging clue for the implementation of a monitoring in operational conditions. Monitoring is the tracking of a measurable biosignal relevant for the live detection of an abnormal variation. In this context, the evolution over time of the signal must be indicative of the variable of interest. In our case, the EEG in the frequency domain is our measurable signal, it is indicative of the variation of the working memory load. It would be interesting to know to what extent the results obtained under experimental conditions are applicable to an ecological situation and can be combined with other neurophysiological measures. The challenge is to move towards a more flexible work environment that is more adaptable to humans in operational conditions.