I – Méthodologie

1De nombreux arguments d’ordre conceptuel ainsi que la difficulté liée aux enregistrements de l’activité électrique cérébrale ont amené les équipes Émotion et Cognition de E. Vernet-Maury et « les capteurs » de A. Dittmar à s’intéresser à l’activité sous-jacente au cortex qui peut « piloter » ou tout au moins donner une image de l’ensemble de la « sortie » comportementale. Ainsi, au lieu de focaliser leur attention sur l’activité cérébrale, elles se sont attachées à mesurer des paramètres physiologiques dépendant directement du système nerveux autonome (SNA).

2Il est bien connu en effet que si la réponse motrice constitue l’aspect le plus visible de l’action, un cortège de réponses végétatives la précède, l’accompagne, puis lui succède. Celui-ci assure la préparation et la mise en œuvre des réponses viscérales qui rendent possible, dans l’immédiat et à terme, l’exécution motrice du comportement tout entier. Mais cette activité SNA et ces réponses viscérales, répercutées par les récepteurs sensitivo-sensoriels adéquats, dépendent de et interfèrent avec les processus affectifs centraux à travers de nombreuses boucles de pré- et de rétroaction. L’interdépendance des affects et des réactions neuro-végétatives crée ainsi des conditions centrales qui retentissent sur la cognition.

3Certes ces réactions neuro-végétatives peuvent apparaître comme la transcription de phénomènes annexes au traitement cognitif lui-même. Elles se démarquent ainsi des potentiels évoqués corticaux qui, sans être une translation des images mentales de l’activité électrique corticale, en sont une représentation au moins partielle. Elles peuvent faire mieux cependant que les méthodes « métaboliques » (dosages, marquages, RMN, TEP...) qui ne donnent, elles aussi, qu’un accès très indirect à ce qui se passe dans les réseaux où se déroule l’imagerie mentale, et qui le font avec un retard considérable.

4En revanche, les réactions neuro-végétatives pourraient manifester non les images elles-mêmes, mais d’une certaine manière leur contenu affectif. Elles ont l’avantage d’évoluer en temps réel. En effet, elles accompagnent, suivent, et même après apprentissage, précèdent les réponses comportementales. Les résultats récents obtenus avec le modèle sportif (Deschaumes-Molinaro et coll., 1991) ont permis de postuler que la réponse SNA pourrait constituer un écho des processus cognitifs qu’elle retranscrirait en temps réel.

1. Les six paramètres du SNA

5La nouvelle méthodologie proposée par A. Dittmar et E. Vernet-Maury porte sur l’analyse de six variables du SNA de nature différente, dont l’activité est mesurée par des techniques nouvelles mises au point par l’équipe de A. Dittmar et G. Delhomme. Les résultats sont exploités à l’aide de méthodes originales d’analyse. L’acquisition des données est réalisée en continu et simultanément sur enregistreur potentiométrique à courant continu et il est indispensable de faire plusieurs enregistrements en parallèle, car chaque individu, aussi longtemps qu’il n’est pas dépassé par la situation, tend à répondre à travers une seule variable, dite préférentielle. A n’utiliser qu’un seul indice, la probabilité de ne rien observer peut aller jusqu’à 90 %, alors que la réponse du SNA existe.

6Les six variables choisies et les méthodes de mesure ou de traitement des signaux utilisés ont été définis par comparaison des résultats obtenus à partir de capteurs de nature différente (E. Vernet-Maury, 1987). Ils sont maintenant appliqués à de nombreux modèles expérimentaux.

A) La réponse électrodermale en résistance

7Elle est appréciée en faisant passer un courant constant de 15 pA entre deux électrodes Ag/AgCl, rondes, impolarisables de 25 mm² de surface (Clark Electromedical Instruments E 243). Elles sont positionnées sur la deuxième phalange de l’index et du médius de la main non dominante, maintenues par du tissu adhésif perméable à l’air.

8Unanimement reconnue comme reflet de l’activation sympathique, la réponse électrodermale a souvent été controversée à travers les indices de quantification utilisés (Bloch, 1965). Cependant des travaux à l’aide d’enregistrements par microélectrodes (Wallin et Fagius, 1986) confirment que cette réponse traduit bien l’activation sympathique. D’autre part, des travaux récents du Laboratoire de physiologie neurosensorielle, concernant la relaxation ont mis en évidence l’intérêt de l’analyse du niveau tonique en conductance ou en résistance comme reflétant en continu les modifications de la vigilance. La variation d’amplitude de la résistance ne peut pas être utilisée car elle dépend de la valeur du niveau tonique, ou valeur de préstimulation de cette variable. Elle suit la loi de la « valeur initiale » (Wilder, 1962). Puisque certaines variables, particulièrement potentiel et résistance cutanés, présentent des variations dépendantes de leur niveau de base, un indice original a été défini. Il traduit la durée pendant laquelle le sujet « répond » à la stimulation (indépendamment du temps de retour à la valeur initiale). Cet indice, appelé Durée de la Perturbation Ohmique (D.P.O.) (Fig. 2), traduit le temps exact pendant lequel le sujet est sous l’impact de la stimulation ; elle se termine par un phénomène d’échappement caractéristique de nombreuses variables physiologiques (Robin étal., 1987, Vernet-Maury et ai, 1991).

B) La réponse électrodermale en potentiel

9On utilise pour la recueillir deux électrodes Beckman auto-adhésives dont la surface active est de 78 mm². Conformément aux recommandations de Fowles, Christie et Edelberg (1981), l’électrode est fixée sur l’éminence hypothénar de la main non-dominante du sujet. L’électrode de référence est posée à 10 cm du poignet, sur la ligne équidistante du plan médian et du bord externe du même membre. La peau est préalablement dégraissée à l’alcool-éther.

10La réponse en Potentiel cutané constitue un indicateur fiable de la décharge émotionnelle consécutive à toute stimulation (Vernet-Maury, 1991). Ces réponses sont analysées à l’aide du code SYDER (Système de Décodage de la Réponse Electrodermale), qui en détermine le signe, positif ou négatif, ainsi que le motif, A, B, ou C. Ces motifs de réponses sont fonction du temps que durent celles-ci (Vernet-Maury et ai, 1991).

C) L’irrigation sanguine cutanée

11Elle est enregistrée à l’aide d’un système original : l’HEMATRON (Brevet Dittmar / CNRS/ ANVAR n° 85 / 15 932). Le débit sanguin cutané est mesuré par le flux thermique entraîné par le sang sous la surface du système. Il existe en effet un asservissement entre chaleur évacuée par le sang et chaleur apportée par le chauffage. La puissance de chauffage et ses variations sont prises comme indice de l’irrigation sanguine cutanée, jusqu’à une profondeur de 2 mm. Ce capteur, non invasif, a un diamètre de 25 mm et une épaisseur de 4 mm (Dittmar, 1989). II est fixé sur la peau de l’éminence thénar de la main non dominante par un ruban adhésif.

12Mise en évidence par Katkin dès 1965, la relation entre débit sanguin cutané et réactivité émotionnelle a été confirmée par les travaux du Laboratoire de physiologie neurosensorielle. Les variations du débit dans les capillaires de la peau sont reliées aux variations de l’état émotionnel des individus (Dittmar et coll., 1985). Les variations de l’irrigation sanguine cutanée sont quantifiées :

• par la différence (positive ou négative) entre les valeurs de pré- et de post-stimulation exprimées en Wm ^-1.°C^-1 ;
• par la durée de la perturbation subie par la fréquence des oscillations du débit sanguin : régulières pendant la relaxation, ces oscillations sont perturbées et disparaissent le plus souvent à la suite d’une stimulation.

D) La température cutanée

13Elle est détectée par une sonde à thermistance de faible inertie (10 K3 MCD2 Betatherm). Le capteur de 4 mm² est fixé au centre de la paume (de la main non dominante) à l’aide d’une colle non caustique. Ce sont l’amplitude et la durée des réponses qui sont quantifiées. Une variation de l’ordre du millième de degré peut être mise en évidence dans ces conditions.

14La variation de la température cutanée reflète la réactivité émotionnelle du sujet et son signe a permis de distinguer les émotions positives des négatives et même les négatives entre elles (Ekman et coll. 1983, Collet et coll., soumis pour publication).

E) La fréquence cardiaque instantanée

15Le signal cardiaque est recueilli au moyen de trois larges électrodes d’argent fixées en position précordiale. À partir de l’intervalle entre deux ondes R consécutives, la fréquence cardiaque instantanée est calculée. La plus petite variation appréciable est de 0,5 battement par minute et l’échelle calibrée s’étend entre 0 et 200 battements par minute.

16Walker et Sandman ont montré en 1979 que les changements de la fréquence cardiaque instantanée sont en relation avec l’activité du système nerveux central. De fait, il semble que l’attention soutenue entraîne une bradycardie considérée comme une réponse d’activation (Lacey et Lacey, 1970). Ces derniers, ainsi que Tursky et coll. (1970), et Van Der Molen et al., (1989) ont montré qu’il en serait de même pendant la prise d’information, l’inverse se produisant au cours du traitement de celle-ci.

F) La fréquence respiratoire instantanée

17Elle est établie au moyen d’une thermistance oblongue de 10 mm de long et 3 mm de diamètre fixée sous la narine du sujet à l’aide d’un tissu adhésif. La fréquence respiratoire instantanée est calculée automatiquement à partir de la différence de température entre l’air inspiré et expiré, sur deux maxima consécutifs.

18L’expression des variables en fréquence instantanée amplifie considérablement les variations de fréquences en rendant l’évaluation très aisée. Le schéma 1 illustre cette approche.

Figure 1. Variations de fréquence. Comparaison entre enregistrement classique direct (haut) et en fréquence instantanée (bas)

2. Enregistrement des paramètres EEG, EOG et ECG (système INRETS-LEN)

19Quatre signaux synchrones sont enregistrés en continu au cours de l’expérimentation.

20* 2 voies EEG (2 dérivations fronto-occipitaies Fz02 et Cz01) enregistrés en bipolaire ; * 1 voie EOG ; * 1 voie ECG permet de calculer la fréquence cardiaque moyenne, exprimée en nombre moyen de pulsations par minute.

21Le système d’acquisition (carte DT2821, gain maxima égal à 10) permet un enregistrement en continu des données). Il est constitué d’un ensemble de modules interconnectés permettant de numériser les signaux analogiques et de stocker les données ainsi obtenues.

22Pour l’ensemble des quatre signaux, compte tenu de la largeur spectrale de leur bande, la fréquence d’échantillonnage a été fixée à 100 Hz par voie.

23La figure 2 représente un exemple d’évolution temporelle de la densité d’énergie de la bande Alpha au cours de la stimulation. Ces densités d’énergie ont été calculées toutes les 15 secondes, par un moyennage de 8 spectres, obtenus à partir de tranches de 256 points pondérés Hamming.

Figure 2 Densité d’énergie des ondes ALPHA (en unité arbitraire). La barre centrale figurant dans le spectre représente le démarrage de la seconde partie de la stimulation. La période de battement entre les deux essais (pause) a été éliminée (1 point = 15 secondes)

3. L’analyse des séquences comportementales du sujet

24Une caméra filme en permanence le sujet. L’image est retranscrite sur écran dans la pièce d’enregistrement des données physiologiques (SNC + SNA). Toute variation comportementale est notée sur le tracé SNA (se déroulant en temps réel) par un des trois expérimentateurs. Ces données pourront être vérifiées par analyse de la bande vidéo enregistrée simultanément.

4. Les repères permettant de synchroniser les enregistrements SNC et SNA

25Au début, à la fin et au milieu de l’expérimentation, des indicateurs de temps sont indiqués simultanément sur les deux tracés pour permettre l’analyse de la simultanéité des événements recueillis sur deux supports différents : SNC et SNA (enregistreur potentiométrique avec resynchronisation des six voies).

5. Protocole expérimental

26L’expérimentation a eu lieu entre février et septembre 1992 dans la même tranche horaire (entre 9 et 15 heures). Elle a porté sur un échantillon de 11 sujets adultes (9 hommes et 2 femmes) sans antécédent neurophysiologique, âgés de 21 à 49 ans et ayant une expérience de conduite supérieure à 5 ans. Il a été demandé à chacun d’entre eux d’effectuer une tâche de simulation de la conduite. Le sujet visionne deux fois la bande. Durée totale de l’épreuve : 2 heures avec 5 minutes d’interruption entre les deux. Le sujet est seul dans la pièce expérimentale thermostatée à 24°C.

27Tous les dispositifs d’enregistrements sont situés dans une pièce adjacente. Les expérimentateurs observent en permanence le sujet sur écran vidéo.

6. Analyse des résultats

281) Les résultats de l’analyse automatique du tracé EEG sont reportés sur les tracés SNA. Une correspondance est établie à l’aide des repères temporels ; ainsi l’apparition d’une catégorie d’onde EEG particulière est portée en correspondance temporelle exacte du tracé SNA.

292) Pour chaque onde EEG identifiée, on établit la réponse de chaque paramètre SNA sous forme d’une Activation, d’une Non-Réponse, d’une Relaxation.

30La réponse est définie ainsi : modification de plus de 10 % de la valeur basale et de l’activité spontanée par rapport à la période de 20 secondes précédant la période analysée.

31Une activation s’objective par :

• une diminution de la valeur basale de la résistance et augmentation de l’activité spontanée ;
• une augmentation (dans le cas général d’une réponse par augmentation dite positive) de la valeur basale du potentiel et de l’augmentation de l’activité spontanée ; ne diminution de la valeur basale de Virrigation sanguine cutanée avec diminution de la régularité des oscillations pouvant aller jusqu’à la disparition du caractère de ce paramètre ;
• une diminution de l’arythmie sinusale de la fréquence cardiaque appréciée sous forme de fréquence instantanée. Diminution souvent associée à une variation de la valeur moyenne de cette fréquence ;
• variabilité de la fréquence respiratoire instantanée associée ou non à des apnées. La relaxation est définie par les caractéristiques opposées.

II – Résultats expérimentaux

32La figure 3 illustre un tracé obtenu présentant deux stades de vigilance : activation et relaxation.

Figure 3. Enregistrement potentiométrique de six variables du système nerveux autonome chez un sujet à épisodes de sommeil : succession de relaxation (R) et d’activation (A)

1. Correspondance SNC-SNA

33Pour chaque tracé SNA, sujet par sujet et selon le code expliqué précédemment pour l’analyse SNA, des tableaux chrolonologiques sont établis correspondant aux différents types d’ondes EEG identifiées Bêta – Thêta – Alpha – Delta. Un exemple est donné ci-contre pour le sujet n° 6 concernant une partie du rythme alpha identifiée par analyse automatique de l’EEG (Fig. 4).

Figure 4. Sujet n° 6. Exemple de relation SNC (ici pour le rythme alpha) et SNA à travers la réponse de 6 paramètres : P = Potentiel, R = Résistance, D = Irrigation sanguine, T = Température cutanée, FC, FR = Fréquence Cardiaque et Respiratoire instantanées, SC = Sommeil comportemental. * = Disparition de l’activité spontanée. A = activation. R = Relaxation. 0 = non – réponse

34L’ensemble de ces résultats est résumé dans la figure 5.

Figure 5. Relations entre les différents rythmes cérébraux et les phases de relaxation et d’activation. La significativité est calculée à l’aide du test Chi2

2. Réponses paroxystiques du SNA pendant les épisodes de rythmes delta

35a) Il n’a été mis en évidence la présence d’ondes delta pendant les cours épisodes de sommeil comportemental que chez un seul des 3 sujets présentant ces accès.

36b) De plus, le rythme delta est apparu lors de séquences très variées, liées : soit à la relaxation du sujet ; 10 fois mais il se situait aussi bien au début (5 fois) de cette relaxation, qu’au milieu (2 fois) ou à la fin (3 fois) ; soit à une réactivation après une relaxation (3 fois) ; soit pendant un réveil intermittent au cours d’un épisode de sommeil comportemental (1 fois) ; soit même pendant des grandes périodes d’activation (7 fois).

3. Réponses du SNA au cours des épisodes de sommeil comportemental

373 sujets sur les 9 (où la correspondance SNC-SNA a pu être réalisée) ont eu des épisodes de sommeil comportemental. Pendant ces périodes, la réponse du SNA de ces sujets indiquait toujours une relaxation au moins au niveau d’un des paramètres mais jamais une activation, sauf éventuellement sur la fréquence cardiaque.

38Nous définissons ainsi ces épisodes :

• perte du tonus musculaire qui se traduit par l’abandon de la tenue du volant ou la chute de la tête sur lui ;
• fermeture des yeux avec faciès caractéristique du sujet assoupi ;
• incapacité totale à réaliser l’activité coordonnée demandée : suivi du trajet. Ce comportement est toujours précédé des signes prémonitoires classiques, différents d’un sujet à l’autre : bâillements, clignements des yeux, activités auto-centrées diverses. Tous les sujets « luttent » contre l’endormissement par des mouvements brusques et de profondes inspirations.

39Ces épisodes ne sont pas associés à l’apparition du rythme Ù mais à des ondes variées et inversement les ondes U ont été mises en évidence chez un sujet n’ayant présenté aucun de ces épisodes et ayant manifesté une efficience correcte (sujet n° 4). Inversement, chez le sujet ayant présenté le plus d’accidents d’endormissement, les ondes U n’ont pas été mises en évidence au niveau de l’EEG (sujet n° 6).

40Sur les 3 sujets avec sommeil comportemental, 35 de ces épisodes ont pu être identifiés. Leur durée varie entre 5 et 30 secondes. Ils sont précédés par les réponses du SNA suivantes :

• Alternances rapides de relaxations et d’activations sans relation avec les signaux externes = 20 fois.
• Grandes oscillations de la fréquence cardiaque instantanée autour de la moyenne = 26 fois ;
• Très forte pente (supérieure à 45°) de l’irrigation sanguine cutanée ou de la température = 14 fois ;
• Très forte pente (supérieure à 45°) de la résistance cutanée = 28 fois ;
• Irrigation sanguine cutanée avec oscillation de faible fréquence et grande amplitude et sans réponse aux stimulations externes = 18 fois ;
• Fréquence respiratoire instantanée à fortes variations (supérieure à 10 battements par minute) et blocage à fréquence fixe = 20 fois ;
• Disparition de l’activité spontanée de la résistance et du potentiel cutanés = 10 fois.

III – Discussion

41L’enregistrement de 6 paramètres SNA de nature différente (électrique thermovasculaire et cardiorespiratoire) a été réalisé à l‘aide de capteurs performants et d’une chaîne de mesure originale. Il a été suivi d’une analyse prenant en compte les données nouvelles relatives au fonctionnement du SNA. L’ensemble de ce système a permis d’établir les correlations entre activités SNC et SNA, et de mettre en évidence les caractéristiques suivantes associées à cette situation de simulation de conduite :

1. L’apparition des ondes dites lentes n’est pas associée systématiquement à un niveau de vigilance incompatible avec une efficience correcte

42a) En dehors des phases de sommeil physiologique, ces ondes signaleraient plutôt une réactivation induite souvent de façon volontaire par le sujet et traduiraient les astreintes d’une situation à sollicitations externes insuffisantes.

43b) La caractéristique des signaux reçus doit-être prise en considération pour l’analyse de ces tracés réalisés en condition d’hypovigilance. Dans ces situations où le sujet peut donner libre cours à son imaginaire, l’axe « externe-interne » (intake-rejection des auteurs de langue anglaise) devrait particulièrement être pris en compte. Ray and Cole (1985) ont démontré que l’activité alpha refléterait les processus attentionnels, alors que l’activité bêta sous-tendrait les processus cognitifs et émotionnels.

2. Réponses sympathiques non homogènes

44Pendant les « relaxations » précédant les phases de sommeil comportemental, il n’existe pas une désactivation sympathique générale. Elle ne s’observe jamais sur tous les paramètres simultanément : il existe toujours au moins une activation sur une variable : une sorte de « veilleur SNA » permettrait sans doute à l’organisme de ne pas sombrer dans une inefficience de trop longue durée. Une dissociation entre l’activité SNC et SNA avait déjà été observée par F. Lille (1979) au cours du travail de nuit. Cet auteur avait en effet observé dans ces conditions une nette augmentation de la fréquence cardiaque associée à des ondes lentes. Cette dissociation entre paramètres physiologiques est associée à la disparition des rythmes ultradiens de 90 minutes. Ici pour la première fois, la dissociation entre paramètres SNA est mise en évidence grâce sans doute à cet enregistrement simultané de paramètres de nature différente. L’approfondissement de la relaxation s’objective ici par un nombre plus grand de variables évoluant simultanément dans le sens de la relaxation chez les sujets présentant des phases de sommeil.

45On observe en effet au début de l’expérience 2 variables évoluant dans le sens de la relaxation, 1 de l’activation et 3 non-réponses. Au milieu de l’expérience il n’y a plus qu’une non-réponse, 2 « activations » et 3 « relaxations », et peu avant l’apparition des épisodes de sommeil comportemental on observe 4 relaxations et 2 activations, et exceptionnellement 5 « relaxations », 1 activation mais jamais 6 relaxations. De plus, chez 2 des 3 sujets à épisodes de sommeil, les très caractéristiques brusques variations de pente (amenant une forte augmentation du niveau tonique) de l’irrigation sanguine et de la résistance cutanées sont majoritairement asynchrones.

46Ces observations relatives à une réponse du SNA non homogène confirment celles réalisées par notre équipe dans une situation différente. Sous acupuncture, une relaxation est mise en évidence au niveau de la réponse du SNA chez la moitié des sujets. Chez ces derniers, cette diminution d’activation ne s’observe que sur certains paramètres SNA. Dans ce cas cependant le sujet ne « résistait » pas à cette perte d’activation et un motif de réponse homogène 4 des 5 paramètres enregistrés avait pu être objectivé (Rammeloo, 1988).

47Les résultats obtenus par D. Poquin (1984) allaient dans ce sens : dans les conditions de relaxation maximale, la dissociation entre paramètres SNA disparaissait.

3. Les signes SNA prémonitoires des épisodes de sommeil comportemental

48En accord avec les résultats bien établis sur le canal préférentiel de réponse SNA propre à chaque sujet et eu égard aux conclusions de cette étude, seule une étude multiparamétrique permettrait de détecter ces épisodes d’inefficience. Un minimum de 4, voire 5 variables semblent nécessaires et parmi celles-ci cette expérimentation permet d’identifier les plus informatives pour cette population de sujets : irrigation sanguine cutanée (à travers les nombreux indices objectivables) et résistance cutanée (à travers l’occurrence élevée).