Connecter et stimuler le corps et l'esprit par le biofeedback de la variabilité de la fréquence cardiaque : effets sur le contrôle cognitif et les processus liés à soi dans la mémoire et la pensée

Verbindung und stimulation von körper und geist durch biofeedback der herzfrequenzvariabilität : auswirkungen auf die kognitive kontrolle und die selbstreferentiellen gedächtnis- und denkprozesse

Connecting and stimulating body and mind through heart rate variability biofeedback : effects on cognitive control and self-referential processes in memory and thinking

• Auteur / Autrice : Lukas Bögge
• Direction : Pascale Piolino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences cognitives
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cognition, comportements, conduites humaines (Paris ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Mémoire, Cerveau et Cognition (Boulogne Billancourt ; 2019-...)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristina Ottaviani, Guillaume Vallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julian F. Thayer, Sylvain Laborde
• DOI : 10.70675/47aa1be1zabc0z4b35z9c74z5ea272c5fdf3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fréquence cardiaque

Psychophysiologie

Rétroaction biologique (psychologie)

Mémoire épisodique

Cognition

Mots clés libres

Variabilité de la fréquence cardiaque

Biofeedback

Connexion corps-Esprit

Axe cœur-Cerveau

Mémoire épisodique à long terme

Pensée future

Contrôle cognitif

Processus de référence à soi

Réalité virtuelle

Renforcement cognitif

Herzfrequenzvariabilität

Biofeedback

Geist-körper-verbindung

Herz-hirn-achse

Episodisches langzeitgedächtnis

Zukunftsdenken

Kognitive kontrolle

Selbstreferentielle verarbeitung

Virtuelle realität

Kognitive steigerung

Heart rate variability

Biofeedback

Mind-body connection

Heart-brain axis

Long-term episodic memory

Future thinking

Cognitive control

Self-referential processing

Virtual reality

Cognitive enhancement

Résumé

Le corps et l'esprit sont intimement liés, car les états physiques influencent la cognition tandis que les efforts cognitifs entraînent une régulation physiologique. La variabilité de la fréquence cardiaque (HRV) est la fluctuation naturelle de la fréquence cardiaque qui reflète ces processus de régulation contrôlés par les branches sympathique et parasympathique du système nerveux autonome. La HRV est un biomarqueur essentiel de l'activité autonome et des interactions entre le cerveau et le cœur, et elle est également liée aux fonctions cognitives qui sous-tendent l'autorégulation. Il existe un lien supposé entre la HRV à médiation parasympathique (vagale) et la cognition, sous l'impulsion de régions corticales et sous-corticales du cerveau, principalement le cortex préfrontal, qui régulent les réponses autonomes et comportementales. Un tel lien a été établi de manière convaincante pour le contrôle cognitif, qui soutient le comportement orienté vers un but. Néanmoins, les associations ont été fondées sur des mesures relativement basiques (corrélation globale avec la HRV mesurée au repos) et n'ont pas été systématiquement étendues à des fonctions cognitives autres que le contrôle cognitif ou émotionnel. Un certain nombre de processus cognitifs font appel à des régions cérébrales qui sont également impliquées dans le contrôle autonome. Pourtant, les recherches antérieures ont négligé les fonctions cognitives de haut niveau liées au contrôle cognitif et au traitement de l'information en référence à soi, comme la mémoire épisodique et les pensées épisodiques dirigées vers le futur. Des résultats préliminaires suggèrent que l'utilisation du biofeedback de la HRV, une technique d'entraînement à l'autorégulation qui améliore la HRV à médiation vagale, peut conduire à une amélioration du contrôle cognitif. Cependant, il existe encore peu de preuves pour étayer l'idée qu'une augmentation de la HRV à médiation vagale produit les effets souhaités. Basé sur la théorie neuroviscérale du contrôle autonome et de la cognition et un nombre insuffisant d'études examinant l'effet du biofeedback sur les fonctions cognitives de haut niveau et sa corrélation avec les changements de HRV, cette thèse vise à explorer les avantages cognitifs du biofeedback de la HRV et à étudier l'interaction corps-esprit du système nerveux autonome avec la mémoire et la pensée orientée vers le passé ou le futur par le biais du contrôle cognitif et des processus de référence à soi. Un biofeedback et des évaluations cognitives ont été implémentés en réalité virtuelle immersive afin d'accroître la robustesse et le contrôle de l'expérience. Trois expériences randomisées et contrôlées par placebo ont été menées auprès de jeunes adultes en bonne santé. Une première étude longitudinale a exploré l'effet du biofeedback de la HRV sur le contrôle cognitif et la mémoire épisodique en référence à soi, démontrant un bénéfice qui a persisté au-delà de la période d'entraînement et a été associé au degré de stimulation HRV pendant l'entraînement. Dans les deuxième et troisième études, le biofeedback de la HRV a été intégré pour la première fois à des tâches cognitives en une seule session afin d'étudier comment la stimulation HRV pendant le traitement cognitif influence la mémoire déclarative à long terme et la pensée orientée vers le passé ou le futur. Les performances de discrimination mnésique (« Vrai / Faux ») et les propriétés de la mémoire épisodique (autobiographique) et de la pensée future épisodique ont été examinées pour évaluer le traitement en référence à soi et le contrôle cognitif de la mémoire et de la pensée. En résumé, les résultats de l'étude valident le modèle d'intégration neuroviscérale et la théorie du réservoir vagal, ce qui permet de mieux comprendre comment le contrôle autonome affecte les fonctions cognitives (de haut niveau) et comment le biofeedback de la HRV peut les améliorer.

Körper und Geist sind miteinander verwoben, da körperliche Zustände die Kognition beeinflussen und kognitive Anforderungen die physiologische Regulation vorantreiben. Die Herzfrequenzvariabilität (HRV), d.h. die natürlich auftretende Schwankung der Herzfrequenz, spiegelt diese Regulationsprozesse wider, die von den sympathischen und parasympathischen Zweigen des autonomen Nervensystems gesteuert werden. Die HRV ist ein wichtiger Biomarker für die autonome Aktivität und die Interaktionen zwischen Gehirn und Herz und steht auch in Verbindung mit kognitiven Funktionen, die der Selbstregulation zugrunde liegen. Es wird ein Zusammenhang zwischen parasympathisch (vagal) vermittelter HRV und Kognition vermutet, da gemeinsame kortikale und subkortikale Hirnregionen, insbesondere der präfrontale Kortex, die autonomen und verhaltensbezogenen Reaktionen regulieren. Ein solcher Zusammenhang konnte für die kognitive Kontrolle, die zielgerichtetes Verhalten unterstützt, deutlich nachgewiesen werden. Die Assoziationen basierten jedoch auf einfachen Messungen (globale Korrelation mit der in Ruhe gemessenen HRV) und wurden nicht systematisch auf kognitive Funktionen jenseits der kognitiven oder emotionellen Kontrolle ausgedehnt. An einer Reihe kognitiver Prozesse sind Gehirnzentren beteiligt, die auch bei der autonomen Kontrolle eine Rolle spielen. In diesem Sinne hat die bisherige Forschung die selbstreferenzielle Verarbeitung vernachlässigt, welche das Beziehen von Informationen auf sich selbst umfasst (z. B. den eigenen Namen oder die eigenen Gedanken), sowie höhere kognitive Funktionen, die mit kognitiver Kontrolle und selbstreferenzieller Verarbeitung zusammenhängen, wie das Gedächtnis und Zukunftsdenken. Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Anwendung von HRV-Biofeedback, einer Selbstregulationstechnik, die die vagal vermittelte HRV erhöht, zu einer Verbesserung der kognitiven Kontrolle führen kann. Es gibt jedoch nur wenige Belege für die Annahme, dass die gewünschten Auswirkungen durch die Stimulation der vagal vermittelten HRV verursacht werden. Basierend auf der neuroviszeralen Theorie von autonomer Kontrolle und Kognition sowie der unzureichenden Anzahl von Studien, die den Biofeedback-Effekt auf höhere kognitive Funktionen und seine Korrelation mit Veränderungen der HRV untersuchen, zielt diese Arbeit darauf ab, den kognitiven Nutzen von HRV-Biofeedback sowie die Körper-Geist-Interaktion des autonomen Nervensystems mit dem Gedächtnis und Zukunftsdenken durch kognitive Kontrolle und Selbstreferenzprozesse zu erforschen. Biofeedback und kognitive Bewertungen wurden in einer immersiven virtuellen Realität durchgeführt, um die experimentelle Robustheit und Kontrolle zu erhöhen. Drei randomisierte und placebokontrollierte Experimente wurden mit gesunden jungen Erwachsenen durchgeführt. Eine Längsschnittstudie untersuchte zuerst die Wirkung von HRV-Biofeedback auf die kognitive Kontrolle und das selbstreferentielle episodische Gedächtnis, der über die Trainingsperiode hinaus anhielt und mit dem Grad der HRV-Stimulation während des Trainings assoziiert war. In der zweiten und dritten Studie wurde das HRV-Biofeedback zum ersten Mal mit kognitiven Aufgaben in einer einzigen Sitzung kombiniert, um zu untersuchen, wie die HRV-Stimulation während der kognitiven Verarbeitung das deklarative Langzeitgedächtnis und Zukunftsdenken beeinflusst. Die Unterscheidungsfähigkeit von wahren und falschen Erinnerungen sowie die Gedankeneigenschaften des episodischen (autobiographischen) Gedächtnisses und des episodischen Zukunftsdenkens wurden untersucht, um die selbstreferentielle Verarbeitung und die kognitive Kontrolle beim Denken zu bewerten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der Studie das Modell der neuroviszeralen Integration und die Theorie des vagalen Tanks validieren und zusätzliche Einblicke liefern, wie die autonome Kontrolle (höhere) kognitive Funktionen beeinflusst und wie HRV-Biofeedback diese verbessern kann.

Body and mind are interwoven, as physical states influence cognition while cognitive demands drive physiological regulation. Heart rate variability (HRV), which is the naturally occurring fluctuation of the heart rate, reflects such regulatory processes that are controlled by the autonomic nervous system's sympathetic and parasympathetic branches. HRV is a crucial biomarker of autonomic activity and brain-heart interactions and is also connected with cognitive functions underlying self-regulation. There is a proposed linkage between parasympathetic (vagally) mediated HRV and cognition, driven by shared cortical and subcortical brain regions, primarily the prefrontal cortex, that regulate autonomic and behavioral responses. Such a connection has been convincingly established for cognitive control, which supports goal-directed behavior. Nevertheless, the associations were founded on relatively simple measures (global correlation with HRV measured during rest) and have not been systematically expanded to cognitive functions beyond cognitive or affective control. A number of cognitive processes engage brain hubs that are also involved in autonomic control. In this vein, previous research has neglected self-referential processing, which consists in relating information to oneself (e.g., one's name or thoughts), as well as higher-level cognitive functions related to cognitive control and self-referential processing, such as memory and future thinking. Preliminary results indicate that the use of HRV biofeedback, a self-regulation training technique that enhances vagally-mediated HRV, can lead to an improvement in cognitive control. However, there is limited evidence to support the notion that an increase in vagally-mediated HRV produces the desired effects. Based on the neurovisceral theory of autonomic control and cognition and the insufficient number of studies examining the biofeedback effect on higher-level cognitive functions and its correlation to changes in HRV, this thesis aims to explore the cognitive benefits of HRV biofeedback and to investigate the body-mind interaction of the autonomous nervous system with memory and future thinking through cognitive control and self-reference processes. Biofeedback and cognitive assessments were implemented in immersive virtual reality to increase experimental robustness and control. Three randomized and placebo-controlled experiments were conducted among healthy young adults. A longitudinal study first explored the HRV biofeedback effect on cognitive control and self-referential episodic memory, revealing benefits which persisted beyond the training period and which were associated with the degree of HRV stimulation during training. In the second and third studies, HRV biofeedback was integrated for the first time with cognitive tasks in a single session to investigate how HRV stimulation during cognitive processing influences long-term declarative memory and past and future thinking. True-false memory discrimination performance and thought properties of episodic (autobiographical) memory and episodic future thinking were examined to evaluate self-referential processing and cognitive control over memory and thought. In summary, the study's results validate the neurovisceral integration model and vagal tank theory, presenting additional understanding of how autonomic control affects (higher-level) cognitive functions and how HRV biofeedback can enhance them. They highlight that improved cardiac vagal control through HRV biofeedback can promote adaptive thinking even in healthy individuals. Future research is required to substantiate the interaction between autonomic, executive, emotional, and self-referential processes, and the utility of HRV biofeedback for preventive mental health care.