Maureen Clerc, à l’écoute de la symphonie neuronale

Date :
Mis à jour le 25/03/2020
Chercheuse senior au sein de l’équipe-projet Athena, Maureen Clerc cherche à mesurer et interpréter l’activité cérébrale, en alliant les mathématiques appliquées et l’informatique avec les neurosciences. En y apportant ses compétences d’analyse numérique, elle a fait de son groupe un pionnier dans la modélisation de la propagation des ondes cérébrales. Portrait d’une mathématicienne pragmatique, qui croit à l’interdisciplinarité, prône la science ouverte et rêve de voir ses travaux aboutir à des applications en e-santé.

Après un premier aperçu d’une équipe-projet d’Inria lors d’un stage de master, Maureen Clerc fait sa thèse à l’École Polytechnique, où elle était entrée en 1990. Elle y étudie les ondelettes, une technique de traitement du signal qui dérive de la transformée de Fourier*. Elle est fascinée, en tant que pianiste, par ce formalisme en « temps-fréquence », si proche de celui de la musique. Très libre dans son sujet de thèse, elle part à la recherche d’applications nouvelles pour cet outil qui l’enthousiasme. Cette quête l’amène au domaine de la vision par ordinateur, qui lui est complètement étranger, mais que son directeur de thèse, Stéphane Mallat, connaît bien. Son doctorat est aussi l’occasion d’entamer une collaboration avec le département de statistique de l’université de Stanford, qui développe une bibliothèque d’algorithmes de traitement de signaux. Poursuivre en post-doctorat dans cette équipe de Stanford constitue une suite logique. D’autant que son directeur d’alors, David Donoho, est un pionnier de la recherche reproductible à laquelle elle s’est initiée durant sa thèse. Pour lui, il est essentiel de publier non seulement des résultats, mais aussi toute la méthode qui a permis de les obtenir ; pas seulement les algorithmes, mais aussi leur implémentation. Il faut « faire de la science ouverte, ouvrir le capot pour que les gens puissent voir comment c’est fait à l’intérieur ». Une vision de la science qui correspond bien à celle de Maureen Clerc, pour qui la recherche est avant tout affaire d’équipe, de collaborations et de partage.  

Modéliser pour bien comprendre...

Son virage vers les neurosciences, Maureen Clerc le doit à un concours de circonstances. Membre du Corps des ponts, elle intègre assez naturellement l’École des Ponts à son retour de Stanford. Et embarque à bord du projet de l’École de créer Odyssée, une équipe commune avec Inria et l’École Normale Supérieure. Celle-ci s’intéresse au cerveau, pour comprendre comment fonctionne la vision humaine, et ainsi améliorer la vision par ordinateur. Forte de sa thèse dans le domaine, Maureen Clerc trouve toute sa place dans le projet, auquel elle apporte ses connaissances issues d’autres communautés de recherche, et notamment l’analyse numérique. Ce qui va l’intéresser, c’est l’activité cérébrale. De quelle façon l’électricité issue du fonctionnement des neurones se diffuse-t-elle dans le crâne et dans la peau de la tête ? Comment relier le signal que l’on mesure à la surface du cuir chevelu à celui émis par les neurones ? Ces questions l’amènent à développer avec un autre chercheur permanent de l’équipe, Théo Papadopoulo, un axe de recherche sur la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans la tête. Car si l’on peut calculer la dégradation de l’information entre le signal émis par le cerveau et celui capté en externe, cela permet de « débruiter » les enregistrements, et de remonter à l’activité cérébrale effective : c’est ce qu’on appelle le « problème inverse ».  

... et pour être utile

Issu de ses travaux, des thèses et post-doctorats encadrés sur le sujet, un logiciel de simulation de la propagation électromagnétique dans les tissus biologiques, OpenMEEG, est créé en 2010. Très rapidement, de conférences en benchmarks internationaux, il apparaît comme le meilleur outil de sa catégorie, celui qui prédit le mieux la dégradation de l’information. Une avance qui n’a pas encore été démentie à ce jour et qui a permis à son code d’être intégré dans lplusieurs logiciels d’imagerie fonctionnelle cérébrale, se diffusant ainsi à l’ensemble de la communauté scientifique. Cette maîtrise de la mesure de l’activité cérébrale va faire naître l’idée d’exploiter ces informations et de les transformer en commande. Et donc de s’ouvrir vers les interfaces cerveau-machine, un domaine de recherche en pleine expansion. Le défi ici consiste à analyser les signaux en temps réel, leur donner un sens très rapidement, sans bénéficier de longs enregistrements pour faciliter le débruitage de l’information. Mais, avant même ces questions techniques, pour Maureen Clerc ces recherches doivent avoir « quelque part, en ligne de mire, un horizon avec des personnes à qui cela servirait ».

Interfacer l’humain avec la machine

Pour réaliser cet interfaçage, il faut notamment travailler sur l’adaptation des algorithmes à la variabilité des signaux. Car même sur un temps court, les caractéristiques d’une même activité cérébrale, chez la même personne, ne sont pas constantes : elles varient en intensité et en temps-fréquence. Parvenir à exploiter l’information en temps réel relève donc également du défi. Heureusement, certains signaux sont beaucoup plus robustes, et ont pu donner lieu à des applications concrètes. C’est notamment le cas du P300 speller, un clavier virtuel qui permet à des patients paralysés de communiquer avec l’extérieur (voir encadré).  Sa réalisation a été conduite en étroite collaboration avec les médecins du CHU de Nice afin que le développement de cette application aboutisse, à terme, à des produits confortables, simples d’utilisation et vraiment utiles aux patients. Maureen Clerc aimerait étendre ses travaux au domaine de l’épilepsie, dont la forte prévalence et la difficulté de prise en charge laissent de nombreux patients dépourvus face à une maladie très invalidante. Son nouvel axe de recherche porte sur le monitoring à domicile de certains paramètres physiologiques. L’idée : un dispositif simple, portable dans l’accomplissement de tâches quotidiennes, pourrait permettre de mieux diagnostiquer les épilepsies. Mais la chercheuse va encore plus loin en souhaitant donner au patient un retour sur son activité cérébrale dans l’espoir que ce neurofeedback lui permette d’apprendre à la réguler.

Épeler par la pensée avec le P300 speller Imaginez un clavier d’ordinateur virtuel qu’on peut actionner en focalisant son attention sur les touches sur lesquelles on veut taper. Cet outil existe, c’est le P300 speller. Comment fonctionne-t-il ? Grâce au suivi de l’activité cérébrale, et plus particulièrement de l’onde P300, nommée ainsi parce qu’elle arrive 300 millisecondes après le stimulus visuel. En pratique, le patient est équipé d’un casque d’électroencéphalogramme. Les lettres du clavier virtuel sont programmées pour clignoter par groupes changeants, et le patient doit compter le nombre de fois où celle qu’il souhaite sélectionner s’allume. En comparant l’activation de son signal P300 et la séquence de clignotement des lettres, il est possible, au bout de quelques répétitions, de déterminer celle sur laquelle il s’est concentré, et de l’afficher à l’écran. Une étude du CHU de Nice a montré que la prise en main était très facile, sans phase longue d’apprentissage. Et ce y compris chez des personnes peu habituées aux interfaces d’ordinateur.

L’interdisciplinarité comme principe de travail

Au-delà de la motivation liée aux besoins des médecins et patients, ces avancées et potentialités de recherche sont aussi rendues possibles par un environnement de travail et d’échange très riche. Localement d’abord puisque, grâce aux efforts de nombreux chercheurs d’Inria Sophia Antipolis, du CNRS et de l’Université de Nice, s’est monté récemment l’institut NeuroMod[1], porté par la regroupement d’établissements « Université Côte d’Azur ». Cet institut vient entériner une dynamique de site impulsée collectivement avec les praticiens et chercheurs hospitaliers, biologistes, spécialistes des sciences cognitives… Il acte la nécessité pour les neurosciences de bénéficier de financements et d’animations dédiés et compte favoriser les futures collaborations locales dans le domaine. L’appui d’Inria ne date pas de la création de cette structure. En 2014, déjà, Maureen Clerc avait coordonné BCI-LIFT, un Inria Project Lab, sorte de super équipe-projet qui permet, durant quatre ans, de faire collaborer des centres différents autour d’un objectif commun. Celui-ci a regroupé six équipes Inria, l’Inserm à Lyon et l’Université de Rouen. Une réussite qui a contribué à la création d’une association française pour la recherche sur les interfaces cerveau-ordinateur[2]. Cette aventure a permis la montée en compétence et l’échange de bonnes pratiques entre chercheurs issus de spécialités différentes, mais fortement complémentaires, de l’électrophysiologie à la modélisation mathématique. Cette double culture entre théorie de haut vol et applications concrètes se retrouve dans la structure même de l’équipe-projet Athena. Les jeunes chercheurs et ingénieurs y trouvent une excellente maîtrise des fondements mathématiques et une grande richesse de production logicielle. Ils ont aussi la possibilité de voir directement les résultats concrets de leurs recherches, grâce au laboratoire de mesures neurophysiologiques à leur disposition. Une démarche expérimentale qui se construit dans un vrai esprit d’entraide et de partage, si cher à Maureen Clerc.


[1]* outil central de l’analyse du signal qui permet d’exprimer une fonction complexe en la somme d’éléments plus simples. NeuroMod, institut de Modélisation en Neuroscience et Cognition, [2] Cortico, Collectif pour la Recherche Transdisciplinaire sur les Interfaces Cerveau Ordinateur,

Maureen Clerc en 5 dates majeures

Maureen Clerc
Photo Aurélie Macarri - Université Côte d'Azur
  • 1999 : Elle soutient sa thèse de doctorat sur le traitement du signal au Centre de Mathématiques Appliquées de l'École polytechnique.
  • 2007 : Elle obtient son Habilitation à Diriger des Recherches.
  • 2010 : Sortie officielle du code OpenMEEG, qui simule la propagation des ondes cérébrales dans les tissus biologiques.
  • 2014 : Elle reçoit le prix Pierre Faurre de l’Académie des sciences pour ses travaux sur la modélisation et l’interprétation des signaux électriques du cerveau.
  • 2016 : Sortie de l’ouvrage pluridisciplinaire Les interfaces cerveau-ordinateur (Iste éditions), qu’elle coordonne avec Fabien Lotte (Inria Bordeaux) et Laurent Bougrain (Inria Nancy).