Thèse Approches Multimodales pour l'Évaluation des Troubles de la Conscience Vers une Meilleure Compréhension des Interactions Entre Systèmes Biologiques et Environnement Émotionnel H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1 École doctorale : NSCo - Neurosciences et Cognition Laboratoire de recherche : CRNL - CENTRE DE RECHERCHE EN NEUROSCIENCES DE LYON Direction de la thèse : Fabien PERRIN ORCID 0000000214443414 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Les patients qui émergent d'un coma à la suite d'une lésion cérébrale sévère peuvent présenter un trouble de la conscience susceptible d'évoluer vers une forme chronique. Actuellement, l'évaluation de la conscience repose sur des échelles comportementales, comme la CRS-R, qui ne reflètent que de manière imparfaite la complexité des états de conscience. En effet, les études en neurosciences montrent qu'environ 30 % des patients présentent une activité cérébrale qui ne correspond pas à leur comportement observable. Par exemple, un patient non réactif peut manifester des activités cérébrales comparables à celles d'une personne consciente. D'autres études révèlent par ailleurs que la probabilité d'observer une réponse comportementale ou cérébrale chez ces patients est doublée après une stimulation personnalisée, par rapport à une stimulation non familière, comme celles utilisées dans les échelles comportementales classiques.
Ces résultats remettent donc en cause les classifications diagnostiques actuelles et soulignent l'urgence de développer des approches multimodales. Celles-ci permettraient de mieux comprendre les liens entre le comportement et l'activité cérébrale, mais aussi les interactions entre les différents systèmes biologiques et l'environnement, en particulier lorsqu'il est chargé d'émotions ou d'informations autobiographiques.
Notre projet s'appuie sur deux hypothèses principales. D'une part, nous faisons l'hypothèses, que le retour de l'interaction entre les différents systèmes biologiques (cérébral, cardiaque, comportemental) constitue un indicateur plus fiable de l'état du patient que les évaluations unimodales actuelles. D'autres part, nous faisons l'hypothèse que la modulation des boucles interactionnelles entre les systèmes biologiques et un environnement émotionnel (notamment en présence des proches) est un meilleur prédicteur du retour de la conscience que celle associée à un environnement neutre.
Pour tester ces hypothèses, nous proposons de mettre en oeuvre une méthodologie multimodale innovante, permettant de synchroniser des données cérébrales (EEG), physiologiques (ECG) et comportementales (vidéo) dans le cadre de deux études distinctes :
- Étude de l'interaction des systèmes biologiques. Nous enregistrerons l'EEG, l'ECG et des vidéos de 30 patients, de manière longitudinale, c'est-à-dire depuis le coma jusqu'à l'éveil, en passant par les désordres de la conscience. Grâce à l'analyse des oscillations neurales, de la connectivité cérébrale, du rythme cardiaque, des mouvements corporels et oculaires, ainsi que des expressions faciales (à l'aide d'outils d'IA que nous avons développés), nous étudierons les interactions entre les systèmes biologiques en contextes émotionnels et neutres.
- Etude des interactions patient-autrui. Nous enregistrerons l'EEG, l'ECG et le comportement de 20 patients en phase d'éveil post-comateux, ainsi que, de manière synchronisée, celui de 20 proches ou de 20 soignants lors de leurs visites. Ces analyses nous permettront d'étudier les variations dyadiques en situations émotionnelles ou neutres.
Ce projet nécessitera le développement d'outils d'analyse des dynamiques interactionnelles (covariations temporelles, avec ou sans délai, mutualisation et flexibilité des états, prédiction, motifs rythmiques, etc.), aussi bien entre les modalités (cérébral vs cardiaque vs comportemental) qu'entre les individus (comportement du patient vs comportement de l'autrui).
À terme, ce projet contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes de la conscience et à une prise en charge plus adaptée des patients présentant un trouble de la conscience. Coma and Disorders of Consciousness
Following severe brain injury (e.g., intoxication, metabolic abnormalities, central nervous system diseases, or acute neurological or traumatic events), patients may fall into a coma. In this state, they cannot be awakened, fail to respond normally to external stimuli, lack a normal sleep-wake cycle, and do not initiate voluntary actions (Plum & Posner, 1982). The duration of coma varies depending on its cause, ranging from a few days to several weeks. Recovery trajectories also vary by etiology; traumatic brain injuries, for example, are often associated with slower recovery and may lead to chronic intermediate states.
The successive stages of recovery from coma are referred to as disorders of consciousness (DoC). Unresponsive wakefulness syndrome (UWS), formerly known as the vegetative state, is a post-comatose condition where patients recover eye-opening cycles but show no behavioral signs of awareness or communication (Laureys et al., 2010). Patients in UWS following traumatic brain injury may remain in this state for weeks, years, or even decades (Multi-Society Task Force on PVS, 1994). When recovery includes purposeful but inconsistent behaviors (e.g., visual tracking or reproducible but intermittent responses to verbal commands), the patient is considered to be in a minimally conscious state (MCS). At this stage, patients are thought to exhibit partial awareness of themselves or their environment (Giacino et al., 2002). Emergence from MCS (EMCS) is defined by the recovery of functional communication or use of objects.
Although recovery from MCS occurs more frequently than from UWS, the number of patients living with chronic DoC remains substantial. In France, the estimated prevalence is approximately 2.5 per 100,000 individuals (Circulaire DGS n°288, 03/05/2002). DoC thus represent a major human, social, and economic challenge. Early and accurate assessment is crucial, as appropriate patient management may promote brain plasticity and increase the chances of recovery.

Behavioral and Brain Assessments
In clinical practice, the assessment of consciousness recovery relies primarily on behavioral observation. Standardized scales are widely used for this purpose. For instance, the Glasgow Coma Scale (GCS) provides an estimate of responsiveness during coma, whereas the Coma Recovery Scale - Revised (CRS-R) is commonly used to differentiate between UWS and MCS. However, the rate of misdiagnosis remains high, with studies suggesting that 37% to 43% of patients diagnosed as UWS actually show signs of awareness upon expert reassessment (Schnakers et al., 2006).
To improve evaluation, brain-based investigations using EEG or fMRI have been developed (Laureys et al., 2005*; Laureys & Schiff, 2012). Early studies revealed that some perceptual functions may remain preserved in both MCS and a subset of UWS patients. For example, primary auditory cortices can still be activated by auditory stimuli in these patients (Laureys et al., 2000). More complex functions, such as language processing (Perrin et al., 2006*) or attentional mechanisms (Sergent et al., 2017*), particularly in MCS patients, have also been reported. The preservation of these functions may reflect a residual capacity to integrate information, as brain connectivity appears to correlate with diagnostic categories (King et al., 2013; Carrière et al., 2020*; Heine et al., 2015*).
The literature also highlights two key findings. First, the emotional quality of stimuli is crucial in patient assessment. For example, the probability of observing a behavioral or brain response is twice as high for preferred stimuli, such as music, compared to neutral stimuli (Castro et al., 2015*; Heine et al., 2017*). Furthermore, these responses are more likely to be observed in patients who ultimately recover (Ferré et al., 2023*). Second, some studies have identified evidence of voluntary brain activity associated with intentional processes. For instance, certain patients can modulate their brain activity when instructed to count specific stimuli (Schnakers et al., 2008*) or imagine performing actions (Owen et al., 2006).

Brain-Behavior Dissociations
A growing body of evidence suggests that behavioral assessments are not always consistent with cerebral measures. For example, a patient behaviorally classified as UWS may exhibit brain activity comparable to that of MCS patients or conscious subjects. Studies using passive stimulation paradigms (e.g., listening to music or hearing one's own name) have revealed cases of higher-order motor cortex dissociation (HMD), where associative cortical responses are preserved despite the absence of overt behavioral signs of cognition (Edlow et al., 2017; Perrin et al., 2006*). Additionally, some patients exhibit cognitive-motor dissociation (CMD), showing no behavioral evidence of consciousness but demonstrating covert awareness through brain responses during active paradigms, such as mental imagery tasks (Monti et al., 2010; Owen et al., 2006).
Identifying brain-behavior dissociations marks a significant breakthrough in DoC research, given that such dissociations may affect up to 30% of patients (Schnakers et al., 2020). This finding underscores the need to rethink traditional diagnostic approaches. It also raises critical questions about its prognostic significance and clinical implications.

Limitations in Studying Brain-Behavior Dissociations
Several confounds currently limit our understanding of brain-behavior dissociations. First, behavioral and brain assessments are typically conducted at different time points, sometimes even on different days, so apparent dissociations may reflect fluctuations in attention or vigilance (Gobert et al., 2023*). Second, behavioral assessments based on the CRS-R remain partly subjective, as their interpretation depends on the examiner's expertise (Gill-Thwaites, 2006). Third, the CRS-R does not capture subtle responses or evaluate behavior across different contexts, such as rest or emotionally salient stimuli (Perrin et al., 2015*, Diserens et al., 2023). Fourth, behavioral and cerebral responses are often measured using different stimuli or contexts, meaning dissociations may reflect differences in the underlying processes rather than genuine discrepancies (Fernández-Espejo & Owen, 2013).
Another limitation is the lack of longitudinal studies. Most existing studies report data from patients recorded only once, when they belonged to a specific diagnostic category (coma, UWS, or MCS). The variability in causes, etiologies, and lesion patterns across patient groups introduces potential biases that limit our ability to understand recovery trajectories.
Finally, the recovery process does not involve only behavior and brain activity. Instead, a range of physiological variables may exhibit abnormalities during DoC (Gobert et al., 2023*). Dissociations could therefore also be observed across other modalities. One particularly promising candidate is cardiac activity, which has recently been shown to fluctuate in correlation with the level of consciousness (Candia-Rivera et al., 2023). EEG, ECG, vidéos
vision par ordinateur, apprentissage automatique, connectivité, oscillations, corrélations temporelle

connaissances cliniques (coma, DoC)
théories de la conscience
cognition incarnée et située
programmation python
statistiques élémentaires
début de connaissances en IA (vision par ordinateur, apprentissages automatiques)
anglais et français
bases en EEG