Méthodes pour l'électroencéphalographie multi-sujet et application aux interfaces cerveau-ordinateur

Methods for multi-subject electroencephalography and application to brain-computer interfaces

• Auteur / Autrice : Louis Korczowski
• Direction : Christian Jutten, Marco Congedo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal image parole telecoms
• Date : Soutenance le 17/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Bougrain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Cabestaing, Yannick Berthoumieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séparation de sources (traitement du signal)

Neurones miroirs

Interaction humain-machine

Électroencéphalographie

Mots clés libres

Electroencéphalographie (EEG)

Séparation aveugle de source

Hyperscanning

Interface cerveau-Ordinateur

Classification

Potentiel évoqué

Electroencephalogram (EEG)

Blind Source Separation (BSS)

Hyperscanning

Classification

Brain-Computer Interface (BCI)

Event Related Potential (ERP)

Résumé

L'étude par neuro-imagerie de l'activité de plusieurs cerveaux en interaction (hyperscanning) permet d'étendre notre compréhension des neurosciences sociales. Nous proposons un cadre pour l'hyperscanning utilisant les interfaces cerveau-ordinateur multi-utilisateur qui inclut différents paradigmes sociaux tels que la coopération ou la compétition. Les travaux de cette thèse comportent trois contributions interdépendantes. Notre première contribution est le développement d'une plateforme expérimentale sous la forme d'un jeu vidéo multijoueur, nommé Brain Invaders 2, contrôlé par la classification de potentiels évoqués visuels enregistrés par électroencéphalographie (EEG). Cette plateforme est validée par deux protocoles expérimentaux comprenant dix-neuf et vingt-deux paires de sujets et utilise différentes approches de classification adaptative par géométrie riemannienne. Ces approches sont théoriquement et expérimentalement comparées et nous montrons la supériorité de la fusion des classifieurs indépendants sur la classification d'un hypercerveau durant la seconde contribution. L'analyse de coïncidence des signaux entre les individus est une approche classique pour l'hyperscanning, elle est pourtant difficile quand les signaux EEG concernés sont transitoires avec une grande variabilité (intra- et inter-sujet) spatio-temporelle et avec un faible rapport signal-à-bruit. En troisième contribution, nous proposons un nouveau modèle composite de séparation aveugle de sources physiologiquement plausibles permettant de compenser cette variabilité. Une solution par diagonalisation conjointe approchée est proposée avec une implémentation d'un algorithme de type Jacobi. A partir des données de Brain Invaders 2, nous montrons que cette solution permet d'extraire simultanément des sources d'artéfacts, des sources d'EEG évoquées et des sources d'EEG continues avec plus de robustesse et de précision que les modèles existants.

The study of several brains interacting (hyperscanning) with neuroimagery allows to extend our understanding of social neurosciences. We propose a framework for hyperscanning using multi-user Brain-Computer Interfaces (BCI) that includes several social paradigms such as cooperation or competition. This dissertation includes three interdependent contribution. The first contribution is the development of an experimental platform consisting of a multi-player video game, namely Brain Invaders 2, controlled by classification of visual event related potentials (ERP) recorded by electroencephalography (EEG). The plateform is validated through two experimental protocols including nineteen and twenty two pairs of subjects while using different adaptive classification approaches using Riemannian geometry. Those approaches are theoretically and experimentally compared during the second contribution ; we demonstrates the superiority in term of accuracy of merging independent classifications over the classification of the hyperbrain during the second contribution. Analysis of inter-brain synchronizations is a common approach for hyperscanning, however it is challenging for transient EEG waves with an great spatio-temporal variability (intra- and inter-subject) and with low signal-to-noise ratio such as ERP. Therefore, as third contribution, we propose a new blind source separation model, namely composite model, to extract simultaneously evoked EEG sources and ongoing EEG sources that allows to compensate this variability. A solution using approximate joint diagonalization is given and implemented with a fast Jacobi-like algorithm. We demonstrate on Brain Invaders 2 data that our solution extracts simultaneously evoked and ongoing EEG sources and performs better in term of accuracy and robustness compared to the existing models.