Interface cerveau-machine à partir d'enregistrement électrique cortical

par Andriy Yelisyeyev

Thèse de doctorat en Modèles, méthodes et algorithmes pour la Biologie, la Santé et l’Environnement

Sous la direction de Tetiana Aksenova.

Soutenue le 08-12-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) et de Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information (laboratoire) .

Le président du jury était François Berger.

Le jury était composé de Tetiana Aksenova, Alim-Louis Benabid, Laura Sacerdote.

Les rapporteurs étaient Martin Bogdan, Roman Borisyuk.


  • Résumé

    Une Interface Cerveau-Machine (ICM) est un système permettant de transformer l'activité neurale du cerveau en une commande d'effecteurs externes. Cette étude correspond à une étape vers une ICM totalement autonome fonctionnant dans un environnement naturel ce qui est d'une importance cruciale pour les futures applications cliniques d'une ICM. Pour représenter l'environnement naturel, des expériences avec une ICM binaire asynchrone ont été réalisées avec des animaux libres de se mouvoir. En comparaison avec les études précédentes, des expériences sur le long terme ont été réalisées, ce qui est plus conforme aux exigences des applications de la vie réelle. L'objectif principal de cette étude est de différencier le modèle spécifique neuronal lié à l'intention d'action de l'activité de fond du cerveau chez des animaux libres de tous mouvements. Pour atteindre le niveau nécessaire de sélectivité, l'analyse Multi-Voies PLS a été choisie sachant qu'elle fournit simultanément un traitement du signal dans plusieurs domaines, à savoir, temporel, fréquentiel et spatial. Pour améliorer la capacité de l'approche générique Multi-Voies PLS pour le traitement de données à grandes dimensions, l'algorithme « Itérative NPLS » est introduit dans notre travail. En ayant des besoins plus faibles en mémoire, cet algorithme fournit des traitements de grands ensembles de données, permet une résolution élevée, préserve l'exactitude de l'algorithme générique et démontre une meilleure robustesse. Pour la calibration adaptative d'un système ICM, l'algorithme récursif NPLS est proposé. Finalement, l'algorithme pénalisé NPLS est développé pour la sélection efficace d'un sous-ensemble de fonctions, à savoir, un sous-ensemble d'électrodes. Les algorithmes proposés ont été testés sur des ensembles de données artificielles et réelles. Ils ont démontré une performance qui est comparable à celle d'un algorithme générique NPLS. Leur efficacité de calcul est acceptable pour les applications en temps réel. Les algorithmes développés ont été appliqués à la calibration d'un système ICM et ont été utilisés dans des expériences d'ICM avec bouclage en temps réel chez des animaux. Enfin, les méthodes proposées représentent une approche prospective pour de futurs développements de systèmes ICM humains.

  • Titre traduit

    Brain-Computer Interface with cortical electrical activity recording


  • Résumé

    Brain Computer Interface (BCI) is a system for translation of brain neural activity into commands for external devices. This study was undertaken as a step toward the fully autonomous (self-paced) BCI functioning in natural environment which is of crucial importance for BCI clinical applications. To model the natural environment binary self-paced BCI experiments were carried out in freely moving animals. In comparison to the previous works, the long-term experimental sessions were carried out, which better comply with the real-life applications requirements. The main goal of the study was to discriminate the specific neuronal pattern related to the animal's control action against background brain activity of freely-moving animal. To achieve the necessary level of selectivity the Multi-Way Analysis was chosen since it provides a simultaneous signal processing in several domains, namely, temporal, frequency and spatial. To improve the capacity of the generic Multy-Way PLS approach for treatment of high-dimensional data, the Iterative NPLS algorithm is introduced in the current study. Having lower memory requirements it provides huge datasets treatment, allows high resolution, preserves the accuracy of the generic algorithm, and demonstrates better robustness. For adaptive calibration of BCI system the Recursive NPLS algorithm is proposed. Finally, the Penalized NPLS algorithm is developed for effective selection of feature subsets, namely, for subset of electrodes. The proposed algorithms were tested on artificial and real datasets. They demonstrated performance which either suppress or is comparable with one of the generic NPLS algorithm. Their computational efficiency is acceptable for the real-time applications. Developed algorithms were applied for calibration of the BCI system and were used in the real-time close-loop binary BCI experiments in animals. The proposed methods represent a prospective approach for further development of a human BCI system.


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