Mesure de la charge cognitive par l'activité électroencéphalographique et modulation de cette activité par neurofeedback pour l'augmentation cognitive.

Measurement of cognitive load by electroencephalographic activity and modulation of this activity by neurofeedback for cognitive enhancement.

• Auteur / Autrice : Samy Chikhi
• Direction : Sophie Blanchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cognition, comportements, conduites humaines (Boulogne-Billancourt, Hauts-de-Seine ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Mémoire, Cerveau et Cognition (Paris ; 2019-...)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie George
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Blanchet, Nathalie George, Mickaël Causse, Camille Jeunet, André Tricot, Nadine Matton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie George, Mickaël Causse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroencéphalographie

Méta-analyse

Neurofeedback

Mémoire de travail

Charge cognitive

Mots clés libres

Charge cognitive

Mémoire de travail

Electroencéphalogramme

Eeg

Thêta

Alpha

Bêta

Méta-Analyse

Neurofeedback

Cognitive load

Working memory

Electroencephalogram

Eeg

Theta

Alpha

Beta

Meta-Analysis

Neurofeedback

Résumé

Le concept de charge cognitive permet de caractériser l'état mental d'un individu lors d'une tâche nécessitant des ressources cognitives. La mesure du niveau de charge cognitive présente un intérêt certain pour l'évaluation et la prédiction de la performance humaine dans des domaines où le facteur humain est central (e.g., militaire, transport, médical). Cependant, il n'existe pas à ce jour de mesure qui soit valide, sensible et ne nécessitant pas d'interruption de la tâche. L'amplitude des fréquences cérébrales mesurées par électroencéphalogramme (EEG) pourrait rendre compte d'une augmentation de la charge cognitive. Par exemple, l'amplitude des fréquences thêta et alpha a été associée à la mémoire de travail. Dans un premier temps, nous avons synthétisé la littérature afin d'évaluer si la mesure de l'amplitude de différentes fréquences cérébrales pourrait rendre compte d'une augmentation de la charge cognitive. Une méta-analyse a été appliquée pour estimer l'effet d'une augmentation de la charge cognitive sur l'amplitude de trois fréquences cérébrales : thêta (4-8 Hz), alpha (8-12 Hz) et bêta (12-30 Hz). Nos résultats suggèrent que le thêta frontal est la fréquence la plus sensible à une augmentation de la charge cognitive. Bien que les effets soient plus faibles, la fréquence bêta était également positivement associée à l'augmentation de la charge cognitive, tandis que la fréquence alpha était négativement associée à celle-ci. Plus que des corrélats, les oscillations cérébrales pourraient jouer un rôle fonctionnel dans les processus cognitifs. Dans un second temps, nous avons testé si la modulation de cette activité cérébrale par neurofeedback pouvait impacter positivement la mémoire de travail. Le neurofeedback est une technique de neuromodulation dans laquelle un signal issu de l'activité cérébrale est traduit en un signal perceptible par l'individu, lui permettant de réguler cette activité. En modulant l'activité cérébrale corrélée à certains processus cognitifs, le neurofeedback pourrait être une technique d'optimisation cognitive. Cependant, ses mécanismes sont encore mal compris et les facteurs distinguant les individus réussissant à moduler leur activité cérébrale (apprenants) de ceux qui échouent (non-apprenants) sont mal identifiés. Dans une première étude expérimentale, nous avons exploré l'effet des stratégies mentales sur l'augmentation de l'amplitude de l'alpha supérieur (10-12 Hz, en Pz) au cours d'une séance de neurofeedback. D'après l'analyse des stratégies rapportées, l'amplitude de l'alpha supérieur était plus élevée chez les apprenants comparativement aux non-apprenants lors d'un effort cognitif ou d'un rappel de souvenirs. Pour étudier les effets spécifiques d'un tel entraînement, une partie des observations de cette première étude ont été comparées à celles d'un entraînement à augmenter l'amplitude de la fréquence thêta (en Fz) ou de fréquences aléatoires (en Cz, groupe contrôle actif). Aucun gain spécifique aux groupes expérimentaux (thêta et alpha supérieur) n'a été observé, qu'il soit cognitif, psychologique ou électrophysiologique. En conclusion, nos travaux ont permis de quantifier les effets d'une augmentation de la charge cognitive sur trois fréquences cérébrales (thêta, alpha, bêta) et contribuent ainsi à l'identification de biomarqueurs de la charge cognitive. Concernant la neuromodulation par neurofeedback, nos résultats suggèrent que les stratégies des participants engagés dans un processus d'autorégulation de l'activité cérébrale seraient déterminantes dans la réussite de cet exercice. Cependant, nos observations soulignent la nécessité d'intégrer un groupe contrôle actif et de prendre en compte l'ensemble du spectre EEG dans l'analyse des effets d'un court entraînement au neurofeedback. Nous discutons les intérêts et limites de la mesure de l'activité cérébrale par EEG pour l'évaluation et l'augmentation de la cognition humaine.

The concept of cognitive load allows to characterize the mental state of an individual during a task requiring cognitive resources. Accurately measuring the level of cognitive load is crucial to evaluate and predict human performance in domains where the human factor is central (e.g., military, transportation, medical). However, to date, there is no valid, sensitive measurement that does not require interruption of the task. The amplitude of different brain frequencies measured by electroencephalogram (EEG) could account for an increase in cognitive load. For example, the amplitude of theta and alpha frequencies has been associated with working memory. First, we quantitatively synthesized the literature in order to assess whether the measurement of brain frequency amplitude could account for an increase in cognitive load. A meta-analysis was applied to estimate the effect of increased cognitive load on the amplitude of three brain frequencies: theta (4-8 Hz), alpha (8-12 Hz), and beta (12-30 Hz). Our results suggest that frontal theta is the most sensitive frequency to increased cognitive load. Although the effects were smaller, beta frequency was also positively associated with increased cognitive load, whereas alpha frequency was negatively associated with it. Second, we tested whether modulating this activity by neurofeedback could positively impact working memory processes. Neurofeedback is a neuromodulation technique in which a signal from brain activity is translated into a perceptible signal by the individual, allowing him to regulate this activity. By modulating the brain activity correlated with certain cognitive processes, neurofeedback could be a technique for cognitive enhancement. However, its mechanisms are still poorly understood and the factors distinguishing individuals who succeed in modulating their brain activity ("learners") from those who fail ("non-learners") are poorly identified. In a first experimental study, we explored the effect of mental strategies on the amplitude of high alpha frequency (10-12 Hz, in Pz) during a neurofeedback session. Analysis of the reported strategies indicated that the amplitude of the high alpha was higher among learners compared to non-learners during cognitive effort or memory recall. To investigate the specific effects of such training, some of the observations from this first experimental study were compared to those from an identical training aimed at increasing the amplitude of theta frequency (in Fz) or random frequencies (in Cz, active control group). No gains specific to the experimental groups (theta and high alpha) were observed, either cognitive, psychological or electrophysiological. In conclusion, our work has quantified the effects of an increase in cognitive load on 3 brain frequencies (theta, alpha, beta) and contributes to the identification of biomarkers of cognitive load. Concerning neuromodulation by neurofeedback, the strategies of the participants engaged in the process of self-regulation of brain activity would be determining in the success of this exercise. However, our observations highlight the need to include an active control group and to consider the entire EEG spectrum when analyzing the effects of a short neurofeedback training. We discuss the value and limitations of measuring brain activity by EEG for the assessment and enhancement of human cognition.