Disentangling the neural correlates of attention decrement : from Cognitive Neuroscience to Cognitive Engineering

L'attention focalisée est une fonction cognitive de haut niveau permettant à l'Homme de faciliter sélectivement certaines actions et perceptions. Dans un monde regorgeant de choix d'actions, et de possibilités de perceptions, l'attention focalisée représente une composante vitale de la cognition humaine. Un constat important doit cependant être noté : l'Homme est incapable de maintenir indéfiniment un état stable d'attention focalisée. Cette incapacité est mise en évidence pendant les tâches d'attention soutenue par l'apparition progressive de déficiences sensori-motrices au cours du temps. L'impulsivité motrice augmente alors, ainsi que le temps de réponse aux stimuli impératifs, et la sensibilité perceptive diminue. À l'heure actuelle, les bases neuronales du phénomène restent très peu connues et ce manque de connaissance est clairement perceptible au sein de deux champs disciplinaires - les Neurosciences Cognitives et l'Ingénierie Cognitive. En Neurosciences Cognitives, la question demeure ainsi posée : pourquoi l'Homme est-il incapable de maintenir un niveau de performance sensori-motrice optimal au cours de tâches d'attention soutenue ? En Ingénierie Cognitive, la problématique concerne le développement d'Interfaces Cerveau-Machine (ICM) passives : identifier les marqueurs neuronaux des déficits d'attention permettrait, à terme, de suivre en temps réel l'état cognitif de l'Homme et de l'alerter de la survenue de ces déficits durant son activité. Ces deux problématiques ont été traitées dans cette thèse. Dans un premier temps, je démontre que le maintien d'une attention focalisée sur une stimulation visuelle entraîne une rapide inhibition des aires visuelles corticales. Cette inhibition sensorielle serait liée à l'absence de variation de la stimulation sensorielle. Ainsi, l'inhibition sensorielle serait bénéfique au cours de tâches de recherche visuelle : elle permettrait à l'Homme d'éviter de réexaminer plusieurs fois le même stimulus, le même objet, la même localisation spatiale; mais lorsqu'une attention soutenue est requise, ce mécanisme serait alors à l'origine de l'apparition de déficiences sensorielles. La présence de cette inhibition sensorielle apporte une explication probante à la diminution de sensibilité perceptive et à l'allongement du temps de réaction qui caractérisent le phénomène. Je montre ensuite que l'activité de structures neuronales motrices et d'aires corticales connues pour sous-tendre l'attention focalisée (i.e., tractus cortico-spinal, et aires corticales motrice primaire, préfrontale et pariétale droite) augmente progressivement au cours d'une tâche d'attention soutenue. Ce sur-engagement reflèterait un processus de compensation en réponse au désengagement préalable des aires corticales sensorielles et à la diminution de la qualité des représentations perceptives. Aussi, l'augmentation d'activité des structures neuronales motrices expliquerait l'augmentation de l'impulsivité motrice, une des signatures comportementales des déficits d'attention. Dans un second temps, je teste la possibilité d'exploiter ces corrélats neuronaux des déficits d'attention afin de discriminer deux états attentionnels donnés (i.e., avec ou sans déficits d'attention) au sein d'une ICM passive. Nous avons pour cela appliqué des méthodes de classification supervisées sur des données de spectroscopie proche infra-rouge reflétant l'activité hémodynamique des aires corticales préfrontale et pariétale enregistrées pendant une tâche d'attention soutenue. Nous rapportons des résultats encourageant en termes de performance de classification pour le futur développement d'ICM passives. Pris ensemble, les résultats décrits dans cette thèse apportent une meilleure compréhension des corrélats neuronaux des déficits d'attention et montrent comment cette connaissance peut être exploitée afin de développer des systèmes permettant de limiter la survenue d'accidents et d'incidents liés à l'erreur humaine dans un contexte écologique.Focused attention represents a high-level cognitive function enabling humans to selectively facilitate specific actions and perceptions. In a world full of choices of action, and of perceptual possibilities, focused attention appears to be a vital component of human cognition. One observation however, is worth making: human-beings are unable to maintain stable states of focused attention indefinitely. This inability manifests during sustained attention tasks with the progressive occurrence of sensory-motor deficiencies with time-on-task. The phenomenon - called attention decrement - is characterized by increases in motor impulsivity and in response times to imperative events, and by a reduction in perceptual sensitivity. So far, the neural underpinnings of attention decrement have not been fully elucidated and this lack of knowledge is clearly palpable within two disciplinary fields : Cognitive Neuroscience and Cognitive Engineering. In Cognitive Neuroscience, the associated question is why are human-beings unable to maintain an optimal sensory-motor performance during sustained attention tasks? In Cognitive Engineering, the lack of a complete scientific understanding of attentional issues impacts the development of efficient passive Brain-Computer interfaces (BCI), capable of detecting the occurrence of potentially dangerous attention decrements during the performance of everyday activities. Both issues have been addressed in this thesis. In terms of Cognitive Neuroscience, I demonstrate that sustaining focused attention on a visual stimulation rapidly leads to an inhibition of the visual cortices. This sensory inhibition can be causally related to the lack of changes in perceptual stimulation typically characterizing sustained attention tasks. While the mechanism may be beneficial during visual search tasks as it helps humans avoid processing the same stimulus, the same object, the same location several times, it can lead to the occurrence of sensory deficiencies when sustained attention is required. As such, the sensory inhibition provides a compelling explanation as to the decrease in perceptual sensitivity and to the increase in reaction time that typify attention decrement. I show in a second study that attention decrement is associated with an increase in the activity of motor- and attention-related neural structures (i.e., cortico-spinal tract, primary motor, prefrontal and right parietal cortices). This excessive engagement reflects a compensatory process occurring in response to the sensory disengagement already highlighted and to the related degradation of the quality of perceptual representations. It is notable that the excessive engagement of the motor neural structures with time-on-task provides a potential explanation for the increase in motor impulsivity typifying attention decrement. In terms of application of these new findings, I investigated the potential of exploiting these neural correlates of attention decrement to discriminate between two different attentional states (i.e., with or without attention decrement) through a passive BCI system. To do so, we applied supervised classification analyses on near-infrared spectroscopy signals reflecting the hemodynamic activity of prefrontal and parietal cortices as recorded during a sustained attention task. We achieved relatively promising classification performance results which bode well for the future development of passive BCI. When considered together, the results described in this thesis contribute towards a better understanding of the neural correlates of attention decrement and demonstrate how this novel knowledge can be exploited for the future development of systems which may enable a reduction in accidents and human error-driven incidents in real world environments