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European Research Council 2016

Vanessa Cabet - 28/10/2016

Les interfaces cerveau-ordinateur ou le contrôle de systèmes par l'activité cérébrale

Chargé de recherche au centre Inria de Bordeaux, Fabien Lotte travaille sur les interfaces cerveau-ordinateur en en modélisant les processus d'apprentissage. La bourse ERC - Starting Grant qu'il vient d'obtenir va lui permettre d'ouvrir un peu plus ce domaine de recherche encore récent à une donnée peu prise en compte jusqu'ici par les spécialistes : l'humain, permettant ainsi une amélioration des usages des interfaces.

Quel a été votre parcours ?

À l’origine, je suis informaticien. Après avoir obtenu mon diplôme d’ingénieur en informatique et mon master de recherche spécialisé en "Intelligence artificielle et images" de l’INSA et de l’université de Rennes, j’ai effectué une thèse en informatique à l’IRISA/Inria Rennes, puis un postdoctorat à Singapour, à l’Institute for infocomm research (I2R). Cela fait déjà six ans que je suis chargé de recherche au centre Inria de Bordeaux dans l’équipe Potioc qui concentre principalement ses travaux sur le design , le développement et l’évaluation de nouvelles méthodes d’interaction humain-machine, dont des interfaces cerveau-ordinateur, principalement à destination du grand public.

Sur quoi portent vos travaux de recherche ?

Mes travaux de recherche portent sur les interfaces cerveau-ordinateur -ou brain-computer interfaces  (BCI)- qui sont des systèmes de communication et de contrôle permettant à une personne d’envoyer des commandes à un ordinateur en utilisant uniquement son activité cérébrale, celle-ci étant généralement mesurée par électroencéphalographie (EEG) et traitée par le système. Dans les BCI, l’EEG mesure, à l’aide d’électrodes posées en surface du cuir chevelu, des microcourants électriques reflétant l’activité synchronisée de millions de neurones de notre cerveau. 
Pour ma part, je m’intéresse à la manière d’analyser et de traiter les signaux EEG pour identifier le plus précisément possible la commande mentale que l’utilisateur veut envoyer. J'étudie aussi le processus d’apprentissage le plus optimal pour les personnes utilisant une interface cerveau-ordinateur. On sait en effet que contrôler une BCI, c’est comme faire du vélo : cela s’apprend, et plus on pratique, meilleur on devient. Enfin, j’essaye d’imaginer de nouvelles applications liées à l’utilisation de ces interfaces cerveau-ordinateur.

Qu'est-ce qui vous passionne dans ce domaine de recherche ?

Beaucoup de choses ! Tout d’abord, c’est un domaine de recherche récent donc dynamique et riche. De nombreuses thématiques sont à explorer, de nouveaux projets sont à inventer. Les BCI sont, en outre, à l’interface d’univers multiples comme l’informatique, les mathématiques, le traitement du signal, les neurosciences, la psychologie et la recherche médicale. Je pars donc invariablement à la découverte de nouveaux sujets, c’est très stimulant intellectuellement. Enfin, je dois l’admettre, j’ai aussi été attiré par les BCI… pour leur côté science-fiction !

Quel est le sujet du projet pour lequel vous avez obtenu une bourse ERC "Starting Grant " ?

Comme je l’ai déjà évoqué, les recherches sur les interfaces cerveau-ordinateur en sont à leurs débuts, ce qui implique un taux d’erreur élevé (en moyenne une fois sur quatre) lors de leur utilisation. Mon projet intitulé "BrainConquest : boosting brain-computer communication with high quality user training"  a pour objectif d’augmenter leur fiabilité. La résolution de cette problématique implique l’étude de la capacité des utilisateurs à contrôler le système. C’est pourquoi je m’intéresse tout particulièrement au processus d’apprentissage des utilisateurs lorsqu’ils veulent parvenir à contrôler une BCI.
Pour ce faire, je vais chercher à créer, à partir de résultats d’expérimentations, des modèles psychologiques, mathématiques ou computationnels des  processus d’apprentissage afin de mieux comprendre le fonctionnement cognitif et mental qui en résulte. Ces études ont pour objectif de pouvoir guider automatiquement l’utilisateur dans l’apprentissage du contrôle d’une BCI de la manière la plus optimale possible. À terme, je souhaiterais développer des BCI capables de permettre à des personnes paralysées de contrôler des systèmes d’assistance (par exemple contrôler un éditeur de texte via leur activité cérébrale uniquement) ou dans un tout autre registre de contrôler des jeux vidéo (notamment des serious games ) par BCI.

Quelle est l'originalité de votre approche ?

Jusqu’à présent la majorité des chercheurs du domaine - moi compris - se sont intéressés à l’analyse, au traitement et à la classification des signaux EEG afin de reconnaître la commande mentale que souhaite exécuter l’utilisateur. Malgré l’amélioration des BCI grâce à ces méthodes, les performances sont encore trop faibles. De nouvelles voies sont donc à explorer ! En effet, les travaux existants tiennent peu, voire pas compte de l’utilisateur, l’humain en tant que tel.

Donc, ce que je souhaite étudier désormais, c’est moins le perfectionnement du traitement des signaux EEG que l’amélioration de l’usage d’une BCI par un humain.

En effet, nous avons démontré que les méthodes actuelles d’apprentissage de contrôle d’une BCI sont sous-optimales tant du côté pratique que théorique. L’originalité de mon approche tient au développement de nouvelles méthodes d’entraînement qui intégreront le profil de l’utilisateur. Quelques travaux de recherche portent déjà sur l’apprentissage humain mais l’approche est expérimentale et imparfaite. Pour ma part, je souhaite développer des modèles et théories qui serviront de base pour créer des méthodes pertinentes pour l’apprentissage du contrôle de BCI.

Comment cette bourse va-t-elle vous aider concrètement dans vos recherches ?

Tout d’abord, je souhaite recruter trois doctorants, deux postdoctorants, un ingénieur et plusieurs stagiaires aux profils variés afin de monter une équipe multidisciplinaire nécessaire à la bonne réalisation de ce projet qui touche à divers domaines (interaction humain-machine, traitement du signal, apprentissage artificiel et sciences cognitives). Ensuite, cette bourse me permettra d’acheter des équipements de mesure de signaux EEG haute résolution, donc plus précis. Enfin, j’essaierai au maximum de favoriser les échanges avec des chercheurs du monde entier afin de partager nos expériences et expertises dans le domaine.

Quelle est la recette pour décrocher cette prestigieuse bourse ?

Je ne sais pas s’il y a une recette magique ! En tout cas, je dirais que l’entourage est la clé. Une ERC, cela se construit, grâce aux échanges et discussions partagés -pour moi, avec l’équipe Potioc et autres experts du domaine. Une ERC, cela se monte grâce au soutien de chargés de projet européens Inria. Une ERC, cela se prépare sur la base des précieux conseils de Jean-Pierre Banâtre (ex-directeur des partenariats européens). De nombreuses heures de travail ont aussi été un ingrédient essentiel à l’obtention de cette bourse, notamment lors de la rédaction du projet où chaque mot a été pesé. Donc je dirais que je dois cette bourse à mon travail mais aussi et surtout à toutes les personnes qui m’ont accompagné de près ou de loin. Je tiens d’ailleurs à les en remercier chaleureusement.

Mots-clés : Interfaces Cerveau-Machine Neurosciences Interface homme-machine Potioc BCI

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