Apprentissage profond pour la mise en application de l’EEG en conditions réelles

Enabling real-world EEG applications with deep learning

• Auteur / Autrice : Hubert Banville
• Direction : Alexandre Gramfort, Denis Engemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Soutenance le 24/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Slim Essid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maarten De Vos, Guillaume Dumas, Suzanna Becker, Sebastian Stober
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maarten De Vos, Guillaume Dumas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuroimagerie

Imagerie

Cerveau

Réseaux neuronaux (informatique)

Traitement du signal -- Techniques numériques

Électroencéphalographie

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage profond

Apprentissage de représentations

Apprentissage auto-supervisé

Électroencéphalographie

Neuroimagerie

Neurotechnologie portable

Deep learning

Representation learning

Self-supervised learning

Electroencephalography

Neuroimaging

Wearable neurotechnology

Résumé

Au cours des dernières décennies, les avancées révolutionnaires en neuroimagerie ont permis de considérablement améliorer notre compréhension du cerveau. Aujourd'hui, avec la disponibilité croissante des dispositifs personnels de neuroimagerie portables, tels que l'EEG mobile " à bas prix ", une nouvelle ère s’annonce où cette technologie n'est plus limitée aux laboratoires de recherche ou aux contextes cliniques. Les applications de l’EEG dans le " monde réel " présentent cependant leur lot de défis, de la rareté des données étiquetées à la qualité imprévisible des signaux et leur résolution spatiale limitée. Dans cette thèse, nous nous appuyons sur le domaine de l'apprentissage profond afin de transformer cette modalité d'imagerie cérébrale centenaire, purement clinique et axée sur la recherche, en une technologie pratique qui peut bénéficier à l'individu au quotidien. Tout d'abord, nous étudions comment les données d’EEG non étiquetées peuvent être mises à profit via l'apprentissage auto-supervisé pour améliorer la performance d’algorithmes d'apprentissage entraînés sur des tâches cliniques courantes. Nous présentons trois approches auto-supervisées qui s'appuient sur la structure temporelle des données elles-mêmes, plutôt que sur des étiquettes souvent difficiles à obtenir, pour apprendre des représentations pertinentes aux tâches cliniques étudiées. Par le biais d'expériences sur des ensembles de données à grande échelle d'enregistrements de sommeil et d’examens neurologiques, nous démontrons l'importance des représentations apprises, et révélons comment les données non étiquetées peuvent améliorer la performance d’algorithmes dans un scénario semi-supervisé. Ensuite, nous explorons des techniques pouvant assurer la robustesse des réseaux de neurones aux fortes sources de bruit souvent présentes dans l’EEG hors laboratoire. Nous présentons le Filtrage Spatial Dynamique, un mécanisme attentionnel qui permet à un réseau de dynamiquement concentrer son traitement sur les canaux EEG les plus instructifs tout en minimisant l’apport des canaux corrompus. Des expériences sur des ensembles de données à grande échelle, ainsi que des données du monde réel démontrent qu'avec l'EEG à peu de canaux, notre module attentionnel gère mieux la corruption qu'une approche automatisée de traitement du bruit, et que les cartes d'attention prédites reflètent le fonctionnement du réseau de neurones. Enfin, nous explorons l'utilisation d'étiquettes faibles afin de développer un biomarqueur de la santé neurophysiologique à partir d'EEG collecté dans le monde réel. Pour ce faire, nous transposons à ces données d'EEG le principe d'âge cérébral, originellement développé avec l'imagerie par résonance magnétique en laboratoire et en clinique. À travers l'EEG de plus d'un millier d'individus enregistré pendant un exercice d'attention focalisée ou le sommeil nocturne, nous démontrons non seulement que l'âge peut être prédit à partir de l'EEG portable, mais aussi que ces prédictions encodent des informations contenues dans des biomarqueurs de santé cérébrale, mais absentes dans l'âge chronologique. Dans l’ensemble, cette thèse franchit un pas de plus vers l’utilisation de l’EEG pour le suivi neurophysiologique en dehors des contextes de recherche et cliniques traditionnels, et ouvre la porte à de nouvelles applications plus flexibles de cette technologie.

Our understanding of the brain has improved considerably in the last decades, thanks to groundbreaking advances in the field of neuroimaging. Now, with the invention and wider availability of personal wearable neuroimaging devices, such as low-cost mobile EEG, we have entered an era in which neuroimaging is no longer constrained to traditional research labs or clinics. "Real-world'' EEG comes with its own set of challenges, though, ranging from a scarcity of labelled data to unpredictable signal quality and limited spatial resolution. In this thesis, we draw on the field of deep learning to help transform this century-old brain imaging modality from a purely clinical- and research-focused tool, to a practical technology that can benefit individuals in their day-to-day life. First, we study how unlabelled EEG data can be utilized to gain insights and improve performance on common clinical learning tasks using self-supervised learning. We present three such self-supervised approaches that rely on the temporal structure of the data itself, rather than onerously collected labels, to learn clinically-relevant representations. Through experiments on large-scale datasets of sleep and neurological screening recordings, we demonstrate the significance of the learned representations, and show how unlabelled data can help boost performance in a semi-supervised scenario. Next, we explore ways to ensure neural networks are robust to the strong sources of noise often found in out-of-the-lab EEG recordings. Specifically, we present Dynamic Spatial Filtering, an attention mechanism module that allows a network to dynamically focus its processing on the most informative EEG channels while de-emphasizing any corrupted ones. Experiments on large-scale datasets and real-world data demonstrate that, on sparse EEG, the proposed attention block handles strong corruption better than an automated noise handling approach, and that the predicted attention maps can be interpreted to inspect the functioning of the neural network. Finally, we investigate how weak labels can be used to develop a biomarker of neurophysiological health from real-world EEG. We translate the brain age framework, originally developed using lab and clinic-based magnetic resonance imaging, to real-world EEG data. Using recordings from more than a thousand individuals performing a focused attention exercise or sleeping overnight, we show not only that age can be predicted from wearable EEG, but also that age predictions encode information contained in well-known brain health biomarkers, but not in chronological age. Overall, this thesis brings us a step closer to harnessing EEG for neurophysiological monitoring outside of traditional research and clinical contexts, and opens the door to new and more flexible applications of this technology.