Design and evaluation of a multimodal control of a robotic arm with a Brain Computer Interface

Conception et évaluation d'un contrôle multimodal d'un bras robotique avec une interface cerveau-ordinateur Les interfaces cerveau machines ont quitté le domaine de la science-fiction dans les années 70 avec la réflexion portée par Jacques Vidal sur la faisabilité d’utiliser des signaux électro-encéphalogrammes comme moyen de communication entre le cerveau et des dispositifs extérieurs. Pendant le développement de ce domaine de recherche, différentes pistes ont été explorées afin de créer une véritable interface entre le cerveau et une machine. Les méthodes d’acquisition ont pris différentes formes et avec l'amélioration des capacités informatiques et l'avènement de l'apprentissage automatique, les méthodes de classification des données cérébrales sont devenues plus fines, capables de capturer des informations complexes sur la donnée cérébrale. Une piste prometteuse pour aider les patients concerne le processus de rééducation suivant un accident vasculaire cérébrale (AVC). En effet, en effectuant des mouvements ou en informant les patients de leur activité cérébrale, il est possible d’aider leur cerveau à s’adapter au déficit neuronal et ainsi de les aider à surmonter leur lésion. Dans ce contexte, les ICO jouent le rôle d'une béquille sur lequel s’appuyer le temps de la rééducation. Dans tout cela, comment devrions-nous contribuer aux systèmes BCI ? Un défi particulier pour les sujets est de créer des patterns cérébraux différenciables au niveau de l'EEG. Pour créer ces patterns, nous nous appuyons sur des tâches cognitives qui modifient le profil d'activité cérébrale. Nous pouvons évoquer l'imagerie motrice des mouvements des membres, une tâche qui consiste à imaginer des mouvements sans les exécuter. Cette tâche particulière est peu familière pour beaucoup et donc en devient complexe à exécuter. Une manière d'aider les sujets à l'effectuer est d'utiliser des retours évocateurs dans le contexte d’une ICO, tels qu’un bras robotique. Le fait de nourrir le sentiment de contrôle sur le bras ainsi que sur les mouvements produits par celui-ci contribue à obtenir des patterns cérébraux plus différenciables. Cependant, en raison des limitations actuelles en ce qui concerne le degré de contrôle permis par les systèmes d’ICO, un contrôle complet d'un bras robotique n'est pas possible. Une solution est de coupler l’ICO avec une autre technologie pour augmenter le degré de contrôle et renforcer le sentiment d’agentivité des sujets sur le bras. Parmi les technologies qui offrent un aperçu de l'intention des sujets, l’oculomètre semble être une solution élégante. L'intégration des deux composants crée un système BCI hybride capable de contrôler le bras de manière intuitive. Cette hybridation a été développée précédemment en tant que preuve de concept, mais l'impact de l'intégration de ces modalités sur le cerveau reste à étudier. En effet, une meilleure compréhension de la manière dont nous devrions façonner l'interaction entre les éléments permettrait de savoir pourquoi nous obtenons de bonnes performances et comment susciter ces patterns discriminants. Le travail de cette thèse consistait en la création d'une plateforme expérimentale entrelaçant les différentes modalités pour établir un contrôle robuste sur le bras. En réalisant un protocole expérimental, nous avons évalué comment définir l'interaction par une analyse approfondie couvrant la performance pure du système, les réponses physiologiques et neurophysiologiques des sujets. Nous avons constaté que la constance était essentielle dans l'interaction et nous avons démontré l'importance du mouvement pour susciter des réponses cérébrales dans ce contexte particulier. Notre travail ouvre la voie à une meilleure compréhension de la dynamique du cerveau dans son contrôle sur les dispositifs externes dans une configuration multimodale. Cette thèse est structurée en cinq chapitres différents couvrant le contexte des ICOs, le développement de la plateforme expérimentale, les résultats du protocole expérimental associés à leur discussion, et enfin une conclusion générale.