Corrélats neuro-fonctionnels du phénomène de sortie de boucle : impacts sur le monitoring des performances

par Bertille Somon

Thèse de doctorat en Sciences cognitives, psychologie et neurocognition

Sous la direction de Aurélie Campagne, Arnaud Delorme et de Bruno Berberian.

Le président du jury était Anne Guérin-Dugué.

Le jury était composé de Aurélie Campagne, Arnaud Delorme, Bruno Berberian, Boris Burle, Wim Gevers, Fabien Lotte, Emanuelle Reynaud.

Les rapporteurs étaient Boris Burle, Wim Gevers.


  • Résumé

    Les mutations technologiques à l’œuvre dans les systèmes aéronautiques ont profondément modifié les interactions entre l’homme et la machine. Au fil de cette évolution, les opérateurs se sont retrouvés face à des systèmes de plus en plus complexes, de plus en plus automatisés et de plus en plus opaques. De nombreuses tragédies montrent à quel point la supervision des systèmes par des opérateurs humains reste un problème sensible. En particulier, de nombreuses évidences montrent que l’automatisation a eu tendance à éloigner l’opérateur de la boucle de contrôle des systèmes, créant un phénomène dit de sortie de boucle (OOL). Ce phénomène se caractérise notamment par une diminution de la conscience de la situation et de la vigilance de l’opérateur, ainsi qu’une complaisance et une sur-confiance dans les automatismes. Ces difficultés déclenchent notamment une baisse des performances de l’opérateur qui n’est plus capable de détecter les erreurs du système et de reprendre la main si nécessaire. La caractérisation de l’OOL est donc un enjeux majeur des interactions homme-système et de notre société en constante évolution. Malgré plusieurs décennies de recherche, l’OOL reste difficile à caractériser, et plus encore à anticiper. Nous avons dans cette thèse utilisé les théories issues des neurosciences, notamment sur le processus de détection d’erreurs, afin de progresser sur notre compréhension de ce phénomène dans le but de développer des outils de mesure physiologique permettant de caractériser l’état de sortie de boucle lors d’interactions avec des systèmes écologiques. En particulier, l’objectif de cette thèse était de caractériser l’OOL à travers l’activité électroencéphalographique (EEG) dans le but d’identifier des marqueurs et/ou précurseurs de la dégradation du processus de supervision du système. Nous avons dans un premier temps évalué ce processus de détection d’erreurs dans des conditions standards de laboratoire plus ou moins complexes. Deux études en EEG nous ont d’abord permis : (i) de montrer qu’une activité cérébrale associée à ce processus cognitif se met en place dans les régions fronto-centrales à la fois lors de la détection de nos propres erreurs (ERN-Pe et FRN-P300) et lors de la détection des erreurs d’un agent que l’on supervise, (complexe N2-P3) et (ii) que la complexité de la tâche évaluée peut dégrader cette activité cérébrale. Puis nous avons mené une autre étude portant sur une tâche plus écologique et se rapprochant des conditions de supervision courantes d’opérateurs dans l’aéronautique. Au travers de techniques de traitement du signal EEG particulières (e.g., analyse temps-fréquence essai par essai), cette étude a mis en évidence : (i) l’existence d’une activité spectrale θ dans les régions fronto-centrales qui peut être assimilée aux activités mesurées en condition de laboratoire, (ii) une diminution de l’activité cérébrale associée à la détection des décisions du système au cours de la tâche, et (iii) une diminution spécifique de cette activité pour les erreurs. Dans cette thèse, plusieurs mesures et analyses statistiques de l’activité EEG ont été adaptées afin de considérer les contraintes des tâches écologiques. Les perspectives de cette thèse ouvrent sur une étude en cours dont le but est de mettre en évidence la dégradation de l’activité de supervision des systèmes lors de la sortie de boucle, ce qui permettrait d’identifier des marqueurs précis de ce phénomène permettant ainsi de le détecter, voire même, de l’anticiper.

  • Titre traduit

    Neurofunctional correlates of the out-of-the-loop phenomenon : impacts on performance monitoring


  • Résumé

    The ongoing technological mutations occuring in aeronautics have profoundly changed the interactions between men and machines. Systems are more and more complex, automated and opaque. Several tragedies have reminded us that the supervision of those systems by human operators is still a challenge. Particularly, evidences have been made that automation has driven the operators away from the control loop of the system thus creating an out-of-the-loop phenomenon (OOL). This phenomenon is characterized by a decrease in situation awareness and vigilance, but also complacency and over-reliance towards automated systems. These difficulties have been shown to result in a degradation of the operator’s performances. Thus, the OOL phenomenon is a major issue of today’s society to improve human-machine interactions. Even though it has been studied for several decades, the OOL is still difficult to characterize, and even more to predict. The aim of this thesis is to define how cognitive neurosciences theories, such as the performance monitoring activity, can be used in order to better characterize the OOL phenomenon and the operator’s state, particularly through physiological measures. Consequently, we have used electroencephalographic activity (EEG) to try and identify markers and/or precursors of the supervision activity during system monitoring. In a first step we evaluated the error detection or performance monitoring activity through standard laboratory tasks, with varying levels of difficulty. We performed two EEG studies allowing us to show that : (i) the performance monitoring activity emerges both for our own errors detection but also during another agent supervision, may it be a human agent or an automated system, and (ii) the performance monitoring activity is significantly decreased by increasing task difficulty. These results led us to develop another experiment to assess the brain activity associated with system supervision in an ecological environment, resembling everydaylife aeronautical system monitoring. Thanks to adapted signal processing techniques (e.g. trial-by-trial time-frequency decomposition), we were able to show that there is : (i) a fronto-central θ activité time-locked to the system’s decision similar to the one obtained in laboratory condition, (ii) a decrease in overall supervision activity time-locked to the system’s decision, and (iii) a specific decrease of monitoring activity for errors. In this thesis, several EEG measures have been used in order to adapt to the context at hand. As a perspective, we have developped a final study aiming at defining the evolution of the monitoring activity during the OOL. Finding markers of this degradation would allow to monitor its emersion, and even better, predict it.


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