Redefining and Adapting Feedback for Mental-Imagery based Brain-Computer Interface User Training to the Learners’ Traits and States

par Léa Pillette

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Fabien Lotte et de Bernard N'Kaoua.

Le président du jury était Anatole Lécuyer.

Le jury était composé de Fabien Lotte, Donatella Mattia, Catherine Pelachaud.

Les rapporteurs étaient Anatole Lécuyer, Damien Coyle.

  • Titre traduit

    Redéfinition et adaptation du feedback donné à l’utilisateur lors de l’entraînement à l’utilisation des interfaces cerveau-ordinateur en fonction du profil de l’apprenant


  • Résumé

    Les interfaces cerveau-ordinateur basées sur l’imagerie mentale (MI-BCIs) offrent de nouvelles possibilités d’interaction avec les technologies numériques, telles que les neuroprothèses ou les jeux vidéo, uniquement en effectuant des tâches d’imagerie mentale, telles qu’imaginer d’un objet en rotation. La reconnaissance de la commande envoyée au système par l’utilisateur repose sur l’analyse de l’activité cérébrale de ce dernier. Les utilisateurs doivent apprendre à produire des patterns d’activité cérébrale reconnaissables par le système afin de contrôler les MI-BCIs. Cependant, les protocoles de formation actuels ne permettent pas à 10 à 30 % des personnes d’acquérir les compétences nécessaires pour utiliser les MI-BCIs. Ce manque de fiabilité des BCIs limite le développement de la technologie en dehors des laboratoires de recherche. Cette thèse a pour objectif d’examiner comment le feedback fourni tout au longde la formation peut être amélioré et adapté aux traits et aux états des utilisateurs. Dans un premier temps, nous examinons le rôle qui est actuellement donné au feedback dans les applications et les protocoles d’entraînement à l’utilisation des MI-BCIs. Nous analysons également les théories et les contributions expérimentales discutant de son rôle et de son utilité dans le processus d’apprentissage de contrôle de correlats neurophysiologiques. Ensuite, nous fournissons une analyse de l’utilité de différents feedback pour l’entraînement à l’utilisation des MI-BCIs. Nous nous concentrons sur trois caractéristiques principales du feedback, i.e., son contenu, sa modalité de présentation et enfin sa dimension temporelle. Pour chacune de ces caractéristiques, nous avons examiné la littérature afin d’évaluer quels types de feedback ont été testés et quel impact ils semblent avoir sur l’entraînement. Nous avons également analysé quels traits ou états des apprenants influaient sur les résultats de cet entraînement. En nous basant sur ces analyses de la littérature, nous avons émis l’hypothèse que différentes caractéristiques du feedback pourraient être exploitées afin d’améliorer l’entraînement en fonction des traits ou états des apprenants. Nous rapportons les résultats de nos contributions expérimentales pour chacune des caractéristiques du feedback. Enfin, nous présentons différentes recommandations et défis concernant chaque caractéristique du feedback. Des solutions potentielles sont proposées pour à l’avenir surmonter ces défis et répondre à ces recommandations.


  • Résumé

    Mental-Imagery based Brain-Computer Interfaces (MI-BCIs) present new opportunities to interact with digital technologies, such as neuroprostheses or videogames, only by performing mental imagery tasks, such as imagining an object rotating. The recognition of the command for the system is based on the analysis of the brain activity of the user. The users must learn to produce brain activity patterns that are recognizable by the system in order to control BCIs. However, current training protocols do not enable 10 to 30% of persons to acquire the skills required to use BCIs. The lack of robustness of BCIs limit the development of the technology outside of research laboratories. This thesis aims at investigating how the feedback provided throughout the training can be improved and adapted to the traits and states of the users. First, we investigate the role that feedback is currently given in MI-BCI applications and training protocols. We also analyse the theories and experimental contributions discussing its role and usefulness. Then, we review the different feedback that have been used to train MI-BCI users. We focus on three main characteristics of feedback, i.e., its content, its modality of presentation and finally its timing. For each of these characteristics, we reviewed the literature to assess which types of feedback have been tested and what is their impact on the training. We also analysed which traits or states of the learners were shown to influence BCI training outcome. Based on these reviews of the literature, we hypothesised that different characteristics of feedback could be leveraged to improve the training of the learners depending on either traits or states. We reported the results of our experimental contributions for each of the characteristics of feedback. Finally, we presented different recommendations and challenges regarding each characteristic of feedback. Potential solutions were proposed to meet these recommendations in the future.


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