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Data and scripts for "Bifurcation in brain dynamics reveals a signature of conscious processing independent of report" by Claire Sergent1,2,*, Martina Corazzol1,2,¶, Ghislaine Labouret1,2,3,¶, François Stockart1,2, Mark Wexler1,2, Jean Rémi King4, Florent Meyniel5, Daniel Pressnitzer4; Nature Communcations 2020

An outstanding challenge for consciousness research is to characterize the neural signature of conscious access independently of any decisional processes. Here we present a model-based approach that uses inter-trial variability to identify the brain dynamics associated with stimulus processing. We demonstrate that, even in the absence of any task or behavior, the electroencephalographic response to auditory stimuli shows bifurcation dynamics around 250–300 milliseconds post-stimulus. Namely, the same stimulus gives rise to late sustained activity on some trials, and not on others. This late neural activity is predictive of task-related reports, and also of reports of conscious contents that are randomly sampled during task-free listening. Source localization further suggests that task-free conscious access recruits the same neural networks as those associated with explicit report, except for frontal executive components. Studying brain dynamics through variability could thus play a key role for identifying the core signatures of conscious access, independent of report., Current knowledge on the neural basis of consciousness mostly relies on situations where people report their perception. Here, the authors provide evidence for the idea that bifurcation in brain dynamics reflects conscious perception independent of report.

The study of consciousness is a fascinating topic of investigation with a wide field of applications and implications. Consciousness processes can be divided into two orthogonal though intimately linked components: the conscious state, that is the state of vigilance or arousal, and the conscious content which refers to the external inputs perceived and manipulated in a conscious space. Although consciousness represents the most important human dimension where people's personal events are continuously experienced and remembered, it is somewhat surprising that its underlying neural processes still sparks lot of debates. In the first part of this PhD thesis, I took advantage from a well-known sensorimotor conflict paradigm, the Nielsen task, to investigate the neural correlates of the emergence of consciousness. Starting from the principle that much of motor processing occurs outside of awareness, I adapted the Nielsen paradigm to neurally investigate how the perception of a motor conflict in healthy subjects smoothly shifted along the unaware/aware state (i.e. point of subjective equality). Using EEG recordings, I then identify the brain sources which I consider the neural fingerprint of awareness. I found that the precuneus was critical for bringing the sensorimotor conflict into awareness. I also investigated this issue from a developmental perspective by examining the performance of healthy children. Although the timing of movement correction and the quality of movement trajectory in children was similar to adult subjects, motor awareness was shifted towards higher perception thresholds while parietal cortex activity was not found. Rather, children's response to conflict awareness was linked to SMA. After having addressed the topic of awareness in this first part, I will focus more on the second component, wakefulness. Usually these two components evolve together, however there are some pathological states in which they can be dissociated. It is the case for vegetative state patients who experience a state of wakefulness without awareness. In the second part of the thesis, I investigated the challenging hypothesis of a potential return to a conscious state, in a patient lying in a vegetative state for 15 years, after vagus nerve stimulation (VNS). We report beneficial effects of VNS including improved behavioural responsiveness and reinforced brain connectivity patterns as key signs of increased consciousness. The results showed an increase of information sharing a measure of functional connectivity particularly prominent across centro-posterior regions. Converging findings, coming from different methods, showed that VNS promoted the spread of cortical signals and metabolism which we found correlated with behavioural improvement as measured with the CRS-R scale. The VNS-induced changes are promising since they seem to follow an already known connectivity pattern characterizing state of consciousness improvements. Taken together, these findings indicate that the parietal lobe constitutes the neural correlate of both state and content-specific consciousness and suggest that this region is a "hot zone" for its emergence. Moreover, our first findings in a vegetative state patient also suggest that consciousness can be potentially repaired, thus opening the way to a new avenue of research in a domain where brain plasticity was underestimated; L'étude de la conscience est un sujet d'investigation fascinant avec un large champ d'applications et d'implications. Les processus de la conscience peuvent être divisés en deux composantes indépendantes quoiqu'intimement liées : l'état conscient et le contenu conscient. L'état conscient correspond aux processus de variation de la vigilance, tandis que le contenu conscient fait référence aux expériences sensorielles perçues et manipulées dans un espace conscient. Bien que la conscience soit un élément essentiel de la cognition humaine, qui conditionne ce que les gens vivent et peuvent se remémorer, la légitimité et le bien-fondé de l'analyse scientifique et rigoureuse des corrélats neuronaux de la conscience soulèvent encore des débats houleux. Dans la première partie de cette thèse, j'utilise un célèbre paradigme de conflit sensorimoteur pour identifier des corrélats neuronaux de l'émergence de la conscience. Les travaux initiés par Torstein Nielsen (Nielsen 1963) ont démontré que la majorité des traitements sensorimoteurs s'effectuent sans nécessiter une analyse consciente. L'émergence de phénomènes conscients apparaissant à partir d'un seuil subjectif de conflit sensori-moteur appelé point d'égalité subjective. A partir d'enregistrements électroencéphalographiques, effectués chez une population de sujets adultes, il est possible d'identifier des sources d'activités corticales indépendantes des intensités des stimulations sensorielles expérimentées et spécifiques de l'émergence d'une sensation perçue consciemment. Ainsi, j'ai pu démontrer que le précuneus était une structure centrale dans les processus qui transforment un conflit sensorimoteur en une expérience consciente. J'ai également étudié ce phénomène d'un point de vue développemental en examinant les performances comportementales et des enregistrements EEG recueillies chez l'enfant. Bien que le moment de la correction du mouvement et la qualité du tracé de la trajectoire étaient similaires aux données mesurées chez les sujets adultes, le seuil de conscience motrice s'est montré plus élevé et l'activité du cortex pariétal n'a pas été retrouvée. En revanche, l'aire motrice supplémentaire a été identiée comme un corrélat important de l'émergence d'une sensation consciente d'un conflit sensorimoteur chez l'enfant. Dans une seconde partie, mes travaux ont été consacrés à l'hypothèse audacieuse qu'une stimulation électrique du nerf vague pourrait modifier l'état de conscience d'un patient se trouvant dans un état végétatif depuis 15 ans. Nous rapportons les effets bénéfiques observés après cette thérapeutique expérimentale au niveau comportemental, clinique et neurophysiologiques. Les enregistrements EEG et les méthodes de mesure de connectivité fonctionnelle m'ont permis d'observer chez ce patient une augmentation du partage d'informations corticales particulièrement importante dans les régions pariétales. L'effet de la stimulation a été également confirmé par d'autres méthodes. L'imagerie métabolique a montré une augmentation généralisée de l'activité corticale et sous-corticale et les évaluations cliniques par la CRS-R ont montré une amélioration de l'état de conscience corrélée aux observations électroencéphalographiques. Ces changements induits par la stimulation du nerf vague sont prometteurs car les modifications cérébrales observées sont caractéristiques de l'amélioration des états de conscience chez les patients gravement cérébrolésés. L'ensemble de ces résultats suggèrent que le lobe pariétal constitue à la fois un corrélat important de l'état de conscience et du contenu conscient, faisant de cette région une composante essentielle de l'émergence de la conscience. De plus, nos résultats préliminaires suggèrent que la conscience peut être, au moins partiellement, restaurée. Cette découverte ouvre de toutes nouvelles perspectives pour le futur des recherches en neurosciences où, l'hypothèse d'une modulation de la plasticité cérébrale avait été oubliée