Méthodes adaptatives d'apprentissage pour des interfaces cerveau-ordinateur basées sur les potentiels évoqués

Adaptive machine learning methods for event related potential-based brain computer interfaces

• Auteur / Autrice : Nathalie Gayraud
• Direction : Maureen Clerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Computational Imaging of the Central Nervous System
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Courty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Courty, Marco Congedo, Michaël Tangermann, Moritz Grosse-Wentrup, Alain Rakotomamonjy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Congedo, Michaël Tangermann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Apprentissage automatique

Systèmes homme-machine

Mots clés libres

Interfaces cerveau machine

Apprentissage automatique

Traitement du signal

Brain computer interfaces

Machine learning

Signal processing

Résumé

Les interfaces cerveau machine (BCI pour Brain Computer Interfaces) non invasives permettent à leur utilisateur de contrôler une machine par la pensée. Ce dernier doit porter un dispositif d'acquisition de signaux électroencéphalographiques (EEG), qui sont dotés d'un rapport signal sur bruit assez faible ; à ceci s'ajoute l’importante variabilité tant à travers les sessions d'utilisation qu’à travers les utilisateurs. Par conséquent, la calibration du BCI est souvent nécessaire avant son utilisation. Cette thèse étudie les sources de cette variabilité, dans le but d'explorer, concevoir, et implémenter des méthodes d'autocalibration. Nous étudions la variabilité des potentiels évoqués, particulièrement une composante tardive appelée P300. Nous nous penchons sur trois méthodes d’apprentissage par transfert : la Géométrie Riemannienne, le Transport Optimal, et l’apprentissage ensembliste. Nous proposons un modèle de l'EEG qui tient compte de la variabilité. Les paramètres résultants de nos analyses nous servent à calibrer ce modèle et à simuler une base de données, qui nous sert à évaluer la performance des méthodes d’apprentissage par transfert. Puis ces méthodes sont combinées et appliquées à des données expérimentales. Nous proposons une méthode de classification basée sur le Transport Optimal dont nous évaluons la performance. Ensuite, nous introduisons un marqueur de séparabilité qui nous permet de combiner Géométrie Riemannienne, Transport Optimal et apprentissage ensembliste. La combinaison de plusieurs méthodes d’apprentissage par transfert nous permet d’obtenir un classifieur qui s’affranchit des différentes sources de variabilité des signaux EEG.

Non-invasive Brain Computer Interfaces (BCIs) allow a user to control a machine using only their brain activity. The BCI system acquires electroencephalographic (EEG) signals, characterized by a low signal-to-noise ratio and an important variability both across sessions and across users. Typically, the BCI system is calibrated before each use, in a process during which the user has to perform a predefined task. This thesis studies of the sources of this variability, with the aim of exploring, designing, and implementing zero-calibration methods. We review the variability of the event related potentials (ERP), focusing mostly on a late component known as the P300. This allows us to quantify the sources of EEG signal variability. Our solution to tackle this variability is to focus on adaptive machine learning methods. We focus on three transfer learning methods: Riemannian Geometry, Optimal Transport, and Ensemble Learning. We propose a model of the EEG takes variability into account. The parameters resulting from our analyses allow us to calibrate this model in a set of simulations, which we use to evaluate the performance of the aforementioned transfer learning methods. These methods are combined and applied to experimental data. We first propose a classification method based on Optimal Transport. Then, we introduce a separability marker which we use to combine Riemannian Geometry, Optimal Transport and Ensemble Learning. Our results demonstrate that the combination of several transfer learning methods produces a classifier that efficiently handles multiple sources of EEG signal variability.