Soutenance de thèse de Romain Trachel

24 juin 2014


Romain Trachel

soutiendra sa thèse de doctorat intitulée :

Protocoles d’interactions cerveau-machine pour améliorer la performance d’attention visuo-spatiale chez l’homme

Brain-computer interaction protocols for enhancing visuo-spatial attention performance in humans

le mardi 24 juin à 14h

Lieux : INRIA Sophia Antipolis Méditerranée 2004 Route des Lucioles, 06902 Valbonne

Composition du jury :

  • Rapporteurs :

Marco Congedo, Chargé de recherches CNRS, Gipsa-lab, Grenoble

Franck Vidal, Professeur des universités CNRS-AMU, LNC UMR 7291, Marseille

  • Examinateur :

Jean Lorenceau, Directeur de recherches CNRS, Cogimage group UMR 7225 / UMR-S 975 (UPMC/CNRS/INSERM), Paris

Fabien Lotte, Chargé de recherches Inria, equipe-projet Potioc, Inria Bordeaux Sud-Ouest.

  • Directeurs :

Maureen Clerc, Directrice de recherches Inria, equipe-projet Athena, Inria Sophia-Antipolis Méditerranée

Thomas Brochier, Chargé de recherches CNRS, INT UMR 7289, Marseille.


Abstract

Visuospatial attention is an information selection and processing mechanism whose overt manifestations consist of head or gaze shifts. In anticipation to new information, the focus of attention can also covertly shift to peripheral vision to share attention between two distinct locations : the overt one (center of gaze) and the covert one in periphery. In such a situation, the reaction to a target appearing at the focus of attention is enhanced with respect to targets appearing at unattended locations.

This thesis addresses the problem of detecting the location of covert attention by decoding neural activity measured by electroencephalography (EEG) before target onset in 3 experiments on healthy subjects. The first experiment uses visuospatial cues that are non-informative about the target location. However, the neural activity reflects that non-informative cues tend to bring the subjects into a state related to alertness, motor preparation or temporal expectation rather than a spatial shift of attention. According to this result, the second experiment uses an ambiguous precueing condition in which the sujet’s attention is shifted to spatial locations which bear a non-systematic relation to the information contained in the cues. With these ambiguous cues, we find that the proportion of targets displayed at unattended locations is equivalent to a non-informative condition, and that reaction speed and accuracy are dramatically impacted. The EEG signal analysis at the sensor level in the time-frequency domain or at the source level in the spatio-temporal domain show power modulations across a large neural network typically related to visuospatial attention tasks. In addition, the decoding of features extracted by spatial filters reflecting this network allow to classify a large proportion of single-trials in which the target appears at the attended location, in view of enhancing the behavioral performance with respect to data recorded during the task. Finally in the third experiment, we implemented two interaction protocols by designing a novel brain-computer interface that decodes covert visuospatial attention. The results show a significantly enhanced behavioral performance compared to baseline performance recorded before the calibration protocol.

As a perspective to this work, we discuss applications of the proposed interaction protocols to enhance visuospatial attention performance in command and control aircraft operations.


Résumé

L’attention visuospatiale est un mécanisme de sélection et de traitement d’information qui se manifeste explicitement par l’orientation de la tête ou du regard. En anticipation d’une nouvelle information, le foyer de l’attention s’oriente implicitement en vision périphérique pour dissocier l’orientation du regard et du foyer implicite vers deux emplacements distincts. Dans cette situation, la réaction à une cible qui apparaît à l’emplacement du foyer implicite s’améliore par rapport aux autres cibles qui pourraient s’afficher dans un emplacement non-attendu.

La problématique de la thèse est d’étudier comment détecter l’emplacement du foyer de l’attention implicite par décodage de l’activité cérébrale mesurée en électro-encéphalographie (EEG) avant l’affichage d’une cible visuelle dans 3 expériences réalisées chez des sujets sains. La première expérience aborde la problématique dans une condition où l’indication sur l’emplacement de la cible est globalement non-informative pour les sujets. Cependant, leur activité cérébrale suggère que ce type d’indication a tendance à induire un état d’alerte, de préparation ou d’orientation de l’attention dans le temps plutôt que dans l’espace. En lien avec ce résultat, la deuxième expérience aborde la problématique dans une condition ambiguë où l’attention du sujet s’oriente vers un emplacement sans lien systématique avec le contenu des indications. La proportion de cibles affichées dans l’emplacement non-attendu par les sujets est similaire à une condition non-informative avec ces indications ambiguës, qui altèrent de manière dramatique la rapidité et la précision de leurs réactions. En revanche, l’analyse de l’EEG au niveau des capteurs dans le domaine temps-fréquence ou des sources dans le domaine spatio-temporel, montre des variations de puissance à travers un réseau de structures cérébrales typiquement impliqué dans l’orientation spatiale de l’attention. De plus, le décodage des caractéristiques cérébrales, extraites à la sortie de filtres spatiaux reflétant ce réseau, permet de classer une large proportion d’essai où la cible apparait dans l’emplacement attendu, ce qui conduit à une amélioration de la performance comportementale par rapport aux données enregistrées pendant l’expérience. Enfin, la troisième expérience aborde la problématique dans cette condition sur une plateforme de traitement temps-réel permettant d’implémenter deux protocoles d’interaction via une interface cerveau-machine. Les résultats montrent une amélioration comportementale significative à travers les sujets par rapport à la performance de base contrôlée et enregistrée pendant la calibration de l’interface.

En perspective de ce travail, nous proposons d’appliquer ces protocoles d’interaction pour améliorer la performance d’attention visuospatiale impliquée dans les opérations de commande et de contrôle d’un appareil terrestre ou aérien.

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