Electroencéphalographie et interfaces cerveau-machine : nouvelles méthodes pour étudier les états mentaux

Avec les avancées technologiques dans le domaine de l'imagerie cérébrale fonctionnelle et les progrès théoriques dans la connaissance des différents éléments neurophysiologiques liés à la cognition, les deux dernières décennies ont vu l'apparition d'interfaces cerveau-machine (ICM) permettant à une personne d'observer en temps réel, ou avec un décalage qui se limite à quelques secondes, sa propre activité cérébrale. Le domaine clinique en général, et plus particulièrement celui de la neuropsychologie et des pathologies conduisant à un handicap moteur lourd, pour lesquels les applications potentielles sont nombreuses qu'elles soient thérapeutiques ou en vue d'une réhabilitation fonctionnelle, a constitué un moteur important de la recherche sur ce nouveau domaine des neurosciences temps réel. Parmi ces applications, le neurofeedback, ou neurothérapie, qui vise l'acquisition par le sujet du contrôle volontaire de certains aspects de son activité cérébrale en vue de les amplifier ou au contraire les diminuer dans un but thérapeutique, voire d'optimisation cognitive, représente une technique prometteuse, alternative aux thérapies et traitements médicamenteux. Cependant, la validation de ce type d'intervention et la compréhension des mécanismes mis en jeux en sont encore à leurs balbutiements. L'entraînement par neurofeedback est souvent long, pouvant s'étaler sur plusieurs semaines. Il est donc très probable que ce type de rééducation cérébrale sollicite des phénomènes de plasticité qui s'inscrivent dans une dynamique lente, et de ce fait, requiert une durée relativement longue d'entraînement pour atteindre les effets à long terme recherchés. Cependant, à cela peuvent s'ajouter de nombreux éléments perturbateurs qui pourraient être à l'origine de la difficulté de l'apprentissage et des longs entraînements nécessaires pour obtenir les résultats attendus. Parmi eux, les perturbations qui viennent déformer le signal enregistré, ou les éléments artefactuels qui ne font pas partie du signal d'intérêt, sont une première cause potentielle. Le manque de spécificité fonctionnelle du signal retourné au sujet pourrait en constituer une deuxième. Nous avons d'une part développé des outils méthodologiques de traitement du signal en vue d'améliorer la robustesse des analyses des signaux EEG, principalement utilisés jusqu'à maintenant dans le domaine du neurofeedback et des ICM, face aux artefacts et au bruit électromagnétique. D'autre part, si l'on s'intéresse au problème de la spécificité fonctionnelle du signal présenté au sujet, des études utilisant l'IRM fonctionnelle ou des techniques de reconstruction de sources à partir du signal EEG, qui fournissent des signaux ayant une meilleure spécificité spatiale, laissent entrevoir de possibles améliorations de la vitesse d'apprentissage. Afin d'augmenter la spécificité spatiale et la contingence fonctionnelle du feedback présenté au sujet, nous avons étudié la stabilité de la décomposition de l'EEG en différentes sources d'activité électrique cérébrale par Analyse en Composantes Indépendantes à travers différentes séances d'enregistrement effectuées sur un même sujet. Nous montrons que ces décompositions sont stables et pourraient permettre d'augmenter la spécificité fonctionnelle de l'entraînement au contrôle de l'activité cérébrale pour l'utilisation d'une ICM. Nous avons également travaillé à l'implémentation d'un outil logiciel permettant l'optimisation des protocoles expérimentaux basés sur le neurofeedback afin d'utiliser ces composantes indépendantes pour rejeter les artefacts en temps réel ou extraire l'activité cérébrale à entraîner. Ces outils sont utiles dans le cadre de l'analyse et de la caractérisation des signaux EEG enregistrés, ainsi que dans l'exploitation de leurs résultats dans le cadre d'un entraînement de neurofeedback. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à la mise en place de protocoles de neurofeedback et à l'impact de l'apprentissage. Nous décrivons tout d'abord des résultats obtenus sur une étude pilote qui cherche à évaluer chez des sujets sains l'impact d'un protocole de neurofeedback basé sur le contrôle du rythme Mu. Les changements comportementaux ont été étudiés à l'aide d'un paradigme de signal stop qui permet d'indexer les capacités attentionnelles et d'inhibition de réponse motrice sur lesquelles on s'attend à ce que l'entraînement ICM ait une influence. Pour clore cette partie, nous présentons un nouvel outil interactif immersif pour l'entraînement cérébral, l'enseignement, l'art et le divertissement pouvant servir à évaluer l'impact de l'immersion sur l'apprentissage au cours d'un protocole de neurofeedback. Enfin, les perspectives de l'apport des méthodes et résultats présentés sont discutées dans le contexte du développement des ICMs de nouvelle génération qui prennent en compte la complexité de l'activité cérébrale. Nous présentons les dernières avancées dans l'étude de certains aspects des corrélats neuronaux liés à deux états mentaux ou classes d'états mentaux que l'on pourrait qualifier d'antagonistes par rapport au contrôle de l'attention : la méditation et la dérive attentionnelle, en vue de leur intégration à plus long terme dans un entraînement ICM par neurofeedback.With new technological advances in functional brain imaging and theoretical progress in the knowledge of the different neurophysiologic processes linked to cognition, the last two decades have seen the emergence of Brain-Machine Interfaces (BCIs) allowing a person to observe in real-time, or with a few seconds delay, his own cerebral activity. Clinical domain in general, and more particularly neuropsychology and pathologies leading to heavy motor handicaps, for which potential applications are numerous, whether therapeutic or for functional rehabilitation, has been a major driver of research on this new field of real-time neurosciences. Among these applications, neurofeedback, or neurotherapy, which aims the subject to voluntary control some aspects of his own cerebral activity in order to amplify or reduce them in a therapeutic goal, or for cognitive optimization, represents a promising technique, and an alternative to drug treatments. However, validation of this type of intervention and understanding of involved mechanisms are still in their infancy. Neurofeedback training is often long, up to several weeks. It is therefore very likely that this type of rehabilitation is seeking brain plasticity phenomena that are part of slow dynamics, and thus require a relatively long drive to achieve the desired long-term effects. However, other disturbing elements that could add up to the cause of the difficulty of learning and long training sessions required to achieve the expected results. Among them, the disturbances that come from recorded signal distortions, or artifactual elements that are not part of the signal of interest, are a first potential cause. The lack of functional specificity of the signal returned to the subject could be a second one. We have developed signal processing methodological tools to improve the robustness to artifacts and electromagnetic noise of EEG signals analysis, the main brain imaging technique used so far in the field of neurofeedback and BCIs. On the other hand, if one looks at the issue of functional specificity of the signal presented to the subject, studies using functional MRI or source reconstruction methods from the EEG signal, which both provide signals having a better spatial specificity, suggest improvements to the speed of learning. Seeing Independent Component Analysis as a potential tool to increase the spatial specificity and functional contingency of the feedback signal presented to the subject, we studied the stability of Independent Component Analysis decomposition of the EEG across different recording sessions conducted on the same subjects. We show that these decompositions are stable and could help to increase the functional specificity of BCI training. We also worked on the implementation of a software tool that allows the optimization of experimental protocols based on neurofeedback to use these independent components to reject artifacts or to extract brain activity in real-time. These tools are useful in the analysis and characterization of EEG signals recorded, and in the exploitation of their results as part of a neurofeedback training. The second part focuses on the development of neurofeedback protocols and the impact of learning. We first describe the results of a pilot study which seeks to evaluate the impact of a neurofeedback protocol based on the Mu rhythm control on healthy subjects. The behavioral changes were studied using a stop signal paradigm that indexes the attentional abilities and inhibition of motor responses on which the BCI training can possibly have influence. To conclude this section, we present a new tool for immersive interactive brain training, education, art and entertainment that can be used to assess the impact of immersion on learning during a neurofeedback protocol. Finally, prospects for methods and results presented are discussed in the context of next-generation BCI development which could take brain activity complexity into account. We present the latest advances in the study of certain aspects of the neural correlates associated with two mental states or classes of mental states that could be described as antagonistic with respect to the control of attention: meditation and mind wandering, for their integration in the longer term in an BCI training using neurofeedback

The Brainarium: An Interactive Immersive Tool for Brain Education, Art, and Neurotherapy

International audienceRecent theoretical and technological advances in neuroimaging techniques now allow brain electrical activity to be recorded using affordable and user-friendly equipment for nonscientist end-users. An increasing number of educators and artists have begun using electroencephalogram (EEG) to control multimedia and live artistic contents. In this paper, we introduce a new concept based on brain computer interface (BCI) technologies: the Brainarium. The Brainarium is a new pedagogical and artistic tool, which can deliver and illustrate scientific knowledge, as well as a new framework for scientific exploration. The Brainarium consists of a portable planetarium device that is being used as brain metaphor. This is done by projecting multimedia content on the planetarium dome and displaying EEG data recorded from a subject in real time using Brain Machine Interface (BMI) technologies. The system has been demonstrated through several performances involving an interaction between the subject controlling the BMI, a musician, and the audience during series of exhibitions and workshops in schools. We report here feedback from 134 participants who filled questionnaires to rate their experiences. Our results show improved subjective learning compared to conventional methods, improved entertainment value, improved absorption into the material being presented, and little discomfort

Stability of ICA decomposition across within-subject EEG datasets.

International audienceIndependent Component Analysis (ICA) has been successfully used to identify brain related signals and artifacts from multi-channel electroencephalographic (EEG) data. However the stability of ICA decompositions across sessions from a single subject has not been investigated. The goal of this study was to isolate EEG independent components (ICs) across sessions for each subject so as to assess whether ICs are reproducible across sessions. We used 64-channel EEG data recorded from two subjects during a simple mind-wandering experiment. Each subject participated in 11 twenty-minute sessions over a period of five weeks. Extended Infomax ICA decomposition was performed on the continuous data of each session. We used a simple IC clustering technique based on correlation of scalp topographies. Several clusters of homogenous components were identified for each subject. Typical component clusters accounting for eye movement and eye blink artifacts were identified. Both clusters included one component from each recording session. In addition, several clusters corresponding to brain electrical sources, among them clusters exhibiting prominent alpha, beta and Mu band activities, included components from most sessions. These results present evidence that ICA can provide relatively stable solutions across sessions, with important implications for Brain Computer Interface research

Un cas d'incarnation linguistique : implication du système moteur orofacial dans les ruminations mentales

International audienceDeux conceptions de la nature de la parole intérieure s'opposent sur le plan théorique. Dans la lignée de la conception incarnée du langage, l'hypothèse de la Simulation Motrice conçoit la parole intérieure comme un acte moteur imaginé, simulé. Dans la conception mentaliste du langage, les tenants de l'hypothèse de l'Abstraction soutiennent que la parole intérieure est abstraite, appauvrie sur le plan articulatoire, voire amodale, et ne nécessite pas l'implication du système moteur. Prenant pour cas d'étude les ruminations mentales verbales, une forme de parole intérieure négative, répétitive, excessive et par conséquent abondante, nous proposons deux tests expérimentaux de ces hypothèses opposées. Le premier test examine si les ruminations mentales provoquées par un paradigme classique d'induction sont associées ou non à une activation motrice labiale, en mesurant l'activité électromyographique des lèvres. Le deuxième test évalue la contraposée de l'hypothèse de la Simulation Motrice, c'est-à-dire examine l'effet de la réduction de l'activité motrice orofaciale sur les ruminations, grâce à un protocole de relaxations ciblées. Nos résultats préliminaires semblent dans l'ensemble en faveur d'une nature incarnée et motrice des ruminations mentales. Le premier test montre en effet l'implication de la musculature labiale durant les ruminations. Le deuxième test suggère que le type de rumination induit par notre paradigme peut être réduit en relaxant spécifiquement les muscles de la parole, tels que les muscles des lèvres. Des études complémentaires sont envisagées pour confirmer ces résultats préliminaires, qui semblent soutenir l'hypothèse de la Simulation Motrice, selon laquelle la parole intérieure correspond à de la parole à voix haute simulée articulatoirement et inhibée avant l'exécution motrice

Can we decode phonetic features in inner speech using surface electromyography?

International audienceAlthough having a long history of scrutiny in experimental psychology, it is still controversial whether wilful inner speech (covert speech) production is accompanied by specific activity in speech muscles. We present the results of a preregistered experiment looking at the electromyographic correlates of both overt speech and inner speech production of two phonetic classes of nonwords. An automatic classification approach was undertaken to discriminate between two articulatory features contained in nonwords uttered in both overt and covert speech. Although this approach led to reasonable accuracy rates during overt speech production, it failed to discriminate inner speech phonetic content based on surface electromyography signals alone. However, exploratory analyses conducted at the individual level revealed that it seemed possible to distinguish between rounded and spread nonwords covertly produced, in two participants. We discuss these results in relation to the existing literature and suggest alternative ways of testing the engagement of the speech motor system during wilful inner speech production

Orofacial electromyographic correlates of induced verbal rumination

International audienc

Plasticity of visual attention in Isha yoga meditation practitioners before and after a 3-month retreat

Meditation has lately received considerable interest from cognitive neuroscience. Studies suggest that daily meditation leads to long lasting attentional and neuronal plasticity. We present changes related to the attentional systems before and after a 3 month intensive meditation retreat. We used three behavioral psychophysical tests - a Stroop task, an attentional blink task, and a global-local letter task-to assess the effect of Isha yoga meditation on attentional resource allocation. 82 Isha yoga practitioners were tested at the beginning and at the end of the retreat. Our results showed an increase in correct responses specific to incongruent stimuli in the Stroop task. Congruently, a positive correlation between previous meditation experience and accuracy to incongruent Stroop stimuli was also observed at baseline. We also observed a reduction of the attentional blink. Unexpectedly, a negative correlation between previous meditation experience and attentional blink performance at baseline was observed. Regarding spatial attention orientation as assessed using the global-local letter task, participants showed a bias toward local processing. Only slight differences in performance were found pre- vs. post- meditation retreat. Biasing toward the local stimuli in the global-local task and negative correlation of previous meditation experience with attentional blink performance is consistent with Isha practices being focused-attention practices. Given the relatively small effect sizes and the absence of a control group, our results do not allow clear support nor rejection of the hypothesis of meditation-driven neuronal plasticity in the attentional system for Isha yoga practice

Langage Intérieur

International audienceCette petite voix que vous entendez dans votre tête est un phénomène de la vie courante expérimenté par la plupart des individus. Cette parole ou discours intérieur joue un rôle central chez l’être humain. En effet, le langage intérieur participe à plusieurs fonctions cognitives telles que le développement du langage chez l’enfant, la pensée, la conscience et la conscience de soi, l’autorégulation, la mémoire de travail, la mémoire autobiographique, la planification de situations futures, la résolution de problème, la lecture et l’écriture. Dans ce chapitre nous allons présenter les résultats de recherches récentes s’appuyant sur des arguments comportementaux, de neuroimagerie et de neuropsychologie, issus des travaux en psychologie et neurosciences cognitives. Nous commencerons par définir et caractériser le phénomène de langage intérieur. Nous décrirons ses caractéristiques comportementales, physiologiques et cérébrales, nous passerons en revue diverses manifestations objectivables du langage intérieur dans différents contextes d’occurrence (e.g., la lecture, l’écriture, le vagabondage verbale mental) et nous verrons comment il se développe chez le nourrisson et quelle forme il prend chez les personnes sourdes utilisant la langue des signes

Articulatory Suppression Effects on Induced Rumination

International audienceThis study explores whether the speech motor system is involved in verbal rumination, a particular kind of inner speech. The motor simulation hypothesis considers inner speech as an action, accompanied by simulated speech percepts, that would as such involve the speech motor system. If so, we could expect verbal rumination to be disrupted by concurrent involvement of the speech apparatus. We recruited 106 healthy adults and measured their self-reported level of rumination before and after a rumination induction, as well as after five minutes of a subsequent motor task (either an articulatory suppression -silent mouthing- task or a finger tapping control task). We also evaluated to what extent ruminative thoughts were experienced with a verbal quality or in another modality (e.g., visual images, non-speech sounds). Self-reported levels of rumination showed a decrease after both motor activities (silent mouthing and finger-tapping), with only a slightly stronger decrease after the articulatory suppression than the control task. The rumination level decrease was not moderated by the modality of the ruminative thoughts. We discuss these results within the framework of verbal rumination as simulated speech and suggest alternative ways to test the engagement of the speech motor system in verbal rumination. Pre-registered protocol, preprint, data, as well as reproducible code and figures are available at: https://osf.io/3bh67/

Dissociating facial electromyographic correlates of visual and verbal induced rumination

International audienc