Déjeuner sur Web – 10 Juin 2011

Les interfaces Les interfaces cerveaucerveau --ordinateurordinateur

Fabien LotteFabien LotteINRIA Bordeaux INRIA Bordeaux SudSud--OuestOuest

Institut National de Recherche en Informatique et Auto matique

Les Interfaces CerveauLes Interfaces Cerveau --OrdinateurOrdinateur

1.1. QuQu’’estest--ce que cce que c’’est ?est ?

2.2. A quoi A quoi çça sert ?a sert ?

3.3. Comment Comment çça marche ?a marche ?

4.4. Quelles perspectives ?Quelles perspectives ?

QuQu’’estest --ce quce qu ’’une Interface une Interface Cerveau Ordinateur (BCI*) ?Cerveau Ordinateur (BCI*) ?

�� Un systUn systèème de communication permettant me de communication permettant àà un un utilisateur dutilisateur d’’envoyer des commandes envoyer des commandes àà un un ordinateur uniquement grâce ordinateur uniquement grâce àà son activitson activitéé ccéérréébralebrale

Contrôle d’une balle à l’aide d’une BCI

* BCI vient de lBCI vient de l’’anglais anglais ““BrainBrain--Computer InterfaceComputer Interface””

Copyright Copyright ©© 2004 by LCE2004 by LCE

QuQu’’estest --ce que nce que n ’’est PAS une BCI ?est PAS une BCI ?

�� Une BCI nUne BCI n’’est pas de la science fictionest pas de la science fiction

�� Une BCI ne peut PAS lire dans les Une BCI ne peut PAS lire dans les penspensééeses

�� Une BCI nUne BCI n’’est pas prête de remplacer est pas prête de remplacer votre sourisvotre souris

A quoi A quoi çça sert une BCI ?a sert une BCI ?

�� Pour des applications mPour des applications méédicalesdicalesLes BCI peuvent être des systLes BCI peuvent être des systèèmes palliatifs pour les mes palliatifs pour les personnes gravement paralyspersonnes gravement paralysééeses

BCI de l’université de Tuebingen, AllemagneCopyright © Tubingen university, 1999

Autres applications mAutres applications m éédicalesdicales

�� Editeurs de texteEditeurs de texte

�� Fauteuils roulantsFauteuils roulants

�� ProthProthèèsesses

Fauteuil roulant commandé par BCI (Université de Singapour)

Stimulation Electrique Fonctionnelle commandée par BCI (Université de Graz, Autriche)

BCI et handicap : oBCI et handicap : o ùù en esten est --on ?on ?

�� Preuves de concept en laboratoire mais Preuves de concept en laboratoire mais peu dpeu d’’utilisations rutilisations rééelles par des patientselles par des patients

�� Fonctionne pour des utilisateurs sains et Fonctionne pour des utilisateurs sains et des patients nondes patients non--complcomplèètement paralystement paralysééss

�� Ne fonctionne pas pour des patients Ne fonctionne pas pour des patients souffrant du syndrome dsouffrant du syndrome d’’enfermementenfermement�� Sauf si ils ont Sauf si ils ont «« apprisappris »» le BCI avant de lle BCI avant de l’’êtreêtre

Applications nonApplications non --mméédicalesdicales

�� Divertissement Divertissement �� RRééalitalitéé Virtuelle, Jeux VidVirtuelle, Jeux Vidééos, etc.os, etc.

©Hubert Raguet/Photothèque CNRS

Jeux vidéo en réalité virtuelle (INRIA)

Comment Comment çça marche une BCI ?a marche une BCI ?

Traduction en une commande

Retour perceptif

Mesure de l’activité

cérébrale

Analyse et identification des signaux cérébraux

1

2

3

4

Application

Comment mesurer lComment mesurer l ’’activitactivit ééccéérréébrale en BCI ?brale en BCI ?

Méthodes non-invasives

(ex: électroencéphalographie)

VSMéthodes i nvasives

(ex: électrocorticographie)

Deux Deux éécolescoles

Mesures invasivesMesures invasivesElectrodes subcorticales

Implantées DANS le cerveau

ElectroCorticoGraphie(ECoG)

Electrodes implantées en surface du cerveau

Copyright © Brown University, 2006

MMééthodes nonthodes non --invasivesinvasives

MagnétoEncéphaloGraphie(MEG) ElectroEncéphaloGraphie

(EEG)IRM fonctionnel

Le plus utilisé(pas cher, portable, non invasif)

Quel signaux cQuel signaux c éérréébraux utiliser braux utiliser en BCI avec len BCI avec l ’’EEG ?EEG ?

�� Potentiels Potentiels éévoquvoquééss�� GGéénnéérréés en rs en rééponse ponse àà

un stimulus extun stimulus extéérieurrieur

�� Signaux spontanSignaux spontanééss�� GGéénnéérréés par une tâche s par une tâche

mentale spmentale spéécifiquecifique�� Ex: faire un Ex: faire un

calcul mentalcalcul mental

1 - Stimulus

2 – réponse cérébrale

État mental généré

spontanément

Exemple de potentiel Exemple de potentiel éévoquvoqu éé : : le P300le P300

�� Le Le P300P300 est une augmentation est une augmentation PPositive du ositive du signal EEG survenant environ signal EEG survenant environ 300300 ms aprms aprèès que s que ll’’utilisateur ait perutilisateur ait perççu un stimulus rare et pertinentu un stimulus rare et pertinent

Temps (s)

Amplitude du signal EEG

rarecommun

BCI utilisant le P300BCI utilisant le P300

�� Le Le ““P300 P300 SpellerSpeller””

Signaux spontanSignaux spontan ééss

�� Imagerie motriceImagerie motrice�� Imagination de mouvements des membresImagination de mouvements des membres

Homonculus de Penfield

Régions cérébrales actives lors de l’imagination de mouvements des mains

Main gauche Main droite

Reconnaitre de lReconnaitre de l ’’ imagerie imagerie motrice dans les signaux EEGmotrice dans les signaux EEG

�� Utiliser lUtiliser l’’information information spatialespatiale

�� Utiliser lUtiliser l’’information frinformation frééquentiellequentielle

Signal EEG brut

Différentesfréquencesdu signal

EEG

Application: exploration dApplication: exploration d ’’un un musmus éée virtuel par la pense virtuel par la pens ééee

A propos des BCI commercialesA propos des BCI commerciales

�� SystSystèèmes mmes méédicaux dicaux et scientifiqueset scientifiques�� Ex : g.tec Ex : g.tec

(Autriche)(Autriche)

�� SystSystèèmes grand publicmes grand public�� Ex : Ex : NeuroskyNeurosky, ,

EmotivEmotiv(USA, (USA, Australie)Australie)

Dans la communautDans la communaut éédu logiciel libredu logiciel libre

�� Le logiciel Le logiciel OpenViBEOpenViBE�� Pour la conception, le test et Pour la conception, le test et

ll’’utilisation de BCI temps rutilisation de BCI temps rééelel

�� Libre (Libre (licenselicense LGPL) et gratuitLGPL) et gratuit

�� http://openvibe.inria.frhttp://openvibe.inria.fr

�� DD’’autres logiciels BCI autres logiciels BCI pour les chercheurspour les chercheurs�� BCI2000, BCI2000, BCILabBCILab, , BiosigBiosig

�� ……

DDééfis scientifiques fis scientifiques àà releverrelever

�� Performances (trPerformances (trèès) limits) limitééeses�� Lente dLente déétection des tection des éétat mentauxtat mentaux�� DDéétections errontections erronéées fres frééquentesquentes�� Cause : nature du signal EEGCause : nature du signal EEG

�� UtilisabilitUtilisabilitéé�� Temps de calibration et dTemps de calibration et d’’apprentissageapprentissage�� ÉÉlectrodes EEGlectrodes EEG�� DesignDesign

PerspectivesPerspectives

�� ApplicationsApplications�� Pour les patients Pour les patients

�� prothprothèèses, communicationses, communication

�� Pour le grand publicPour le grand public�� Divertissement, jeux vidDivertissement, jeux vidééosos

�� Applications prometteuses mais Applications prometteuses mais ……�� BCI pas assez performantes pour lBCI pas assez performantes pour l’’instantinstant

PerspectivesPerspectives

�� Nouvelles applications prometteusesNouvelles applications prometteuses�� RRééééducation fonctionnelleducation fonctionnelle

�� Patients atteints dPatients atteints d’’Accident Vasculaire CAccident Vasculaire Céérréébralebrale�� Enfants souffrant de troubles de lEnfants souffrant de troubles de l’’attentionattention

�� BCI BCI «« passivespassives »» suivant lsuivant l’é’état mental de tat mental de ll’’utilisateurutilisateur�� Suivie du stress et de la surcharge mentale (Ex : Suivie du stress et de la surcharge mentale (Ex :

contrôleurs acontrôleurs aéériens)riens)�� Suivie de la fatigue et de lSuivie de la fatigue et de l’’attention (Ex : attention (Ex :

conducteurs, pilotes)conducteurs, pilotes)�� Etc.Etc.

ConclusionConclusion

�� Les BCI (Les BCI (BrainBrain--Computer Interface) sont Computer Interface) sont des systdes systèèmes de communication utilisant mes de communication utilisant uniquement luniquement l’’activitactivitéé ccéérréébralebrale

�� De nombreuses applications prometteusesDe nombreuses applications prometteuses

�� De nombreux dDe nombreux dééfis scientifiques fis scientifiques àà releverrelever

Merci de votre attention !Merci de votre attention !

Des questions ?

Fabien Lottefabien.lotte@inria.fr

Pour en savoir plus (web) :

Interstices : http://interstices.info/jcms/c_45638/openvibe-un-logiciel-pour-les-interfaces-cerveau-ordinateurSite de l'Inserm :

http://www.inserm.fr/thematiques/technologies-pour-la-sante/dossiers-d-information/interface-cerveau-machine