Détection des signaux faibles de la fatigue cognitive chez l’Homme à partir du suivi des régulations physiologiques, implication dans les techniques d’entrainement de bio- et neurofeedback

Detection of mental fatigue in humans from complex psychophysiological regulations, involvement in bio- and neurofeedback training techniques

• Auteur / Autrice : Pierre Bouny
• Direction : Véronique Deschodt-Arsac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Postal-Le Dorse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Grivel, Marion Trousselard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hadrien Ceyte, Stéphane Perrey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cognition

Biofeedback (thérapie)

Neurofeedback

Mots clés libres

Biosignal

Complexité

Fatigue cognitive

Neurofeedback

Biofeedback

Biosignal

Complexity

Mental fatigue

Neurofeedback

Biofeedback

Résumé

La cognition désigne un ensemble de fonctions qui permettent à l’Homme de s’adapter dans son environnement. Le recours prolongé et intense aux fonctions exécutives peut conduire à un épuisement des circuits neuronaux à l’origine de ces processus cognitifs de haut niveau. La personne entre alors dans un état dit de fatigue cognitive. Cet état neuro-psycho-physiologique singulier modifie le fonctionnement intégré des systèmes de contrôles. Ces systèmes en réseau, vastes et flexibles, se coordonnent selon plusieurs dimensions spatiales et temporelles. C’est le cas des systèmes nerveux autonome et central qui sont fonctionnellement interconnectés au sein d’un réseau central autonome. L’influence des modifications internes centrales expliquées par l’exécution prolongée de tâches cognitives ne se limite donc pas aux confins du cerveau, mais retentit jusqu’aux systèmes et fonctions périphériques comme le contrôle autonome. L’objectif du travail de thèse a été d’évaluer l’état de l’individu lors de la mise en place de la fatigue cognitive en analysant la structure des biosignaux centraux et périphériques. Ces biosignaux émergent d’architectures complexes et seraient eux-mêmes empreint de cette complexité. Dans un second temps, l’objectif du travail a été de mesurer le potentiel des outils de cohérence cardiaque en biofeedback et de neurofeedback SMR dans la remédiation à cet état de fatigue. Dans une première étude, nous avons évalué la capacité des indices non linéaires complexes mesurés sur le biosignal de variabilité du rythme cardiaque à discriminer des états cognitifs proches. Des analyses multi échelles marquent spécifiquement des tâches cognitives d’inhibition, l’entropie et la multifractalité étant respectivement plus sensibles aux tâches d’inhibition d’interférence et d’annulation d’action. Dans un second travail, nous nous sommes intéressés aux effets d’une session de neurofeedback SMR sur la cognition. Nous avons démontré l’efficacité du procédé pour améliorer l’attention sélective chez de jeunes sujets sains. Le troisième travail expérimental de cette thèse s’est attaché à comparer différentes modalités de guidage pour l’entrainement en cohérence cardiaque par biofeedback dans deux environnements, réel et virtuel. Nous avons observé un guidage plus précis et un état de cohérence plus important avec une double modalité sensorielle, visuelle et haptique. L’état psychophysiologique des sujets n’est pas amélioré lorsque l’entrainement a été réalisé en réalité virtuelle, l’immersion dans ce type d’environnement agréable permettrait d’optimiser l’état comme la cohérence cardiaque. Enfin dans un quatrième travail expérimental, un état de fatigue cognitive a été induit afin d’étudier l’influence d’un entrainement en cohérence cardiaque pour contrer ses effets grâce à l’analyse synchrone de biosignaux centraux cardiaques et oculométriques. Nous avons identifié que la cohérence cardiaque prévient l’apparition de la fatigue cognitive. L’ensemble de nos travaux mettent en lumière l’intérêt de l’utilisation du monitoring de l’état cognitif pour détecter les modulations d’état d’une personne à la suite d’une induction de fatigue. L’apport des analyses de complexité appliquées aux biosignaux centraux et périphériques est d’un intérêt majeur dans ce travail, les indices issus de ces analyses se révélant spécifiques pour discriminer les fluctuations et le type d’états. Enfin, ce travail de thèse met en lumière les techniques d’entrainement en bio et neurofeedback dans l’optimisation de fonctions exécutives ainsi que dans la remédiation d’un état de fatigue cognitive. Ce travail a permis de finaliser le transfert des connaissances du travail de thèse vers des applications pour l’entreprise URGOTECH.

Cognition refers to a set of functions that allow humans to adapt to their environment. Prolonged and intense use of executive functions can lead to the exhaustion of the neuronal circuits involved in these high-level cognitive processes. The person then enters a state called cognitive fatigue. This singular neuro-psycho-physiological state modifies the integrated functioning of the control systems. These networked systems, which are vast and flexible, are coordinated along several spatial and temporal scales. This is the case of the autonomic and central nervous systems which are functionally interconnected within a central autonomic network. The influence of central internal changes caused by prolonged performance of cognitive tasks is therefore not limited to the confines of the brain, but extends to peripheral systems and functions such as the autonomic control. The objective of the thesis work was to evaluate the state of the individual during the onset of cognitive fatigue by analyzing the structure of central and peripheral biosignals. These biosignals emerge from complex architectures and would be themselves complex. In a second step, the objective of the work was to measure the potential of heart rate variability biofeedback and SMR neurofeedback in the remediation of this fatigue state. In a first study, we evaluated the ability of complex nonlinear indices measured on the heart rate variability biosignal to discriminate cognitive states. Multiscale analyses specifically mark inhibition cognitive tasks, with entropy and multifractality being more sensitive to interference inhibition and action cancellation tasks respectively. In a second work, we investigated the effects of an SMR neurofeedback session on cognition. We demonstrated the effectiveness of the procedure in improving selective attention in young healthy subjects. The third experimental work of this thesis focused on comparing different guidance modalities for heart rate variability biofeedback training in two environments, real and virtual. We observed a more precise guidance and a more important state of cardiac coherence with a double sensory modality, visual and haptic. The psychophysiological state of the subjects was not improved when the training was carried out in virtual reality; the immersion in this type of pleasant environment would allow optimizing the state as the cardiac coherence. Finally, in a fourth experimental work, a state of cognitive fatigue was induced in order to study the influence of cardiac coherence training to counter its effects through the synchronous analysis of central cardiac and oculometric biosignals. We have identified that cardiac coherence prevents the onset of cognitive fatigue. All our work highlights the interest of using cognitive state monitoring to detect modulations of a person’s state following the induction of fatigue. The contribution of complexity analyses applied to central and peripheral biosignals is of major interest in this work, as the indices resulting from these analyses are specific for discriminating fluctuations and the type of states. Finally, this thesis work highlights bio- and neurofeedback training techniques in the optimization of executive functions as well as in the remediation of cognitive fatigue. This work allowed to finalize the transfer of the knowledge of the thesis work towards applications for the company URGOTECH.