Conclusion

Dans cette étude, nous avons comparé les modulations du signal EEG au niveau du cortex moteur

pendant l’exécution d’un mouvement volontaire les yeux fermés et les yeux ouverts. Nous avons

montré qu’une plus grande désynchronisation apparaissait 500 ms après le mouvement volontaire

dans la bande de fréquence mu (10-13 Hz) lorsque les yeux étaient ouverts. Nous avons également

constaté qu’il n’y avait pas de différence significative dans la bande de fréquence bêta (15-30 Hz).

Cette étude nous permet de voir que la modulation est légère lorsque nos yeux sont fermés et

pourrait être prochainement utilisé dans la conception d’une BCI spécialisée dans la détection

des réveils peropératoires.

4.2. Comparaison entre une imagination motrice discrète et une imagination motrice continue

4.2 Comparaison entre une imagination motrice discrète et une

imagination motrice continue

POINTS CLÉS

• Questions : Est-il possible de détecter une imagination motrice discrète ,

c’est-à-dire très courte (< 1s) ? Une imagination motrice discrète est-elle tout aussi

détectable qu’une imagination motrice continue ?

• Résultats :La phase d’ERD est bien présente durant l’imagination motrice discrète.

L’ERS dans la bande de fréquence 8-30 Hz est plus forte après une imagination

motrice continue qu’après une imagination motrice discrète. Le taux de détection

d’une imagination motrice discrète est aussi précis que pour une imagination motrice

continue (t-student, p< 0,05).

• Signification :Lors d’un réveil peropératoire, il semble possible de détecter une

tentative de mouvement très courte ou une tentative de mouvement plus longue.

Puisqu’il n’existe aucune différence significative entre la détection des deux types

d’imagination motrice, l’imagination motrice discrète pourrait permettrait de réduire

le temps d’interaction et la fatigue de l’utilisateur avec une BCI.

Articles associés

• Rimbert S, Avilov O, Bougrain L. 2017. Discrete motor imageries can be used

to allow a faster detection. 7th Graz Brain-Computer Interface Conference 2017,

Graz, Austria.

• Rimbert S, Lindig-León C, Fedotenkova M, Bougrain L. 2017. Modulation of beta

power in EEG during discrete and continuous motor imageries. 8th International

IEEE EMBS Conference On Neural Engineering, Shanghai, China.

• Rimbert S, Bougrain L. Comparison Between Discrete and Continuous Motor

Imageries : toward a Faster Detection. 2016. International Brain Computer Interface

Meeting 2016, California, United States.

• Rimbert S, Bougrain L, Lindig-León C, Serrière G, Giovannini F, Hutt A. 2015.

Amplitude and latency of EEG Beta activity during real movements, discrete and

continuous motor imageries. Bernstein Conference 2015, Bernstein, Germany.

4.2.1 Introduction

Aujourd’hui, la plupart des BCI qui utilisent les rythmes sensorimoteurs reposent sur la détection

d’une imagination motrice continue (CMI) où l’utilisateur s’imagine réaliser le mouvement

plusieurs fois pendant une durée allant de 2 à 4 secondes [21, 310, 205]. Si la majorité de la

littérature utilise ce type d’imagination motrice (MI), la relation existante entre la durée de

celle-ci et la nature de l’activité motrice contenue dans le signal EEG reste inconnue. En effet,

depuis les premiers travaux de Pfurtscheller [180,179,20], le paradigme reposant sur la CMI a

été utilisé comme référence, à savoir que l’utilisateur imagine le mouvement pendant une durée

plus ou moins longue pour que la détection par la BCI soit possible.

motrice continue grâce à une BCI, qu’en est-il d’une imagination motrice plus courte ? Dans le

cas d’un réveil peropératoire, il sera impossible d’anticiper la durée de la tentative de mouvement

du patient. Celle-ci pourra être discrète (<1s), brève (<2s) ou continue [356,367]. La BCI devra

alors forcément s’adapter à la situation proposée par le patient. Il paraît donc important d’étudier

le comportement des ERD et des ERS en fonction du temps au cours duquel l’imagination de

mouvement est réalisée. Plusieurs études ont déjà étudié ce phénomène pour le mouvement

volontaire, montrant principalement la différence entre un mouvement bref, qu’on peut qualifier

d’isométrique discret, et un mouvement maintenu [368, 369, 370, 188]. Par exemple, Cassim

et al., ont montré que la puissance des rythmes sensorimoteurs (mu et bêta) retourne à la

ligne de base après 4-5 secondes de mouvement maintenu et que la durée du mouvement avait

très peu d’influence sur les modulations observées durant la période de pré-mouvement ou de

post-mouvement. Par contre, le rebond post-mouvement semble disparaître dans le cas d’un

mouvement maintenu [368], cela ayant été confirmé plus tard par Erbil and Ungan, lesquels ont

également fait l’hypothèse que la différence de comportement dans les deux bandes de fréquences

mu et bêta suggérait que les deux types de mouvements dépendent de processus différents [370].

A notre connaissance, trois études seulement ont exploré les différences existant dans le signal

EEG entre une imagination motrice courte et une imagination motrice continue :

• La première a été réalisée par Nam et al., et avait pour objectif d’étudier le phénomène de

latéralisation des patterns ERD et ERS lors d’une MI brève (>1s) et continue (> 5s)

[367]. Selon cette étude, les deux types de MI génèrent une ERD durant la tâche et une

ERS post-tâche assez similaire, mais avec une localisation différente. En effet, lors d’une

MI brève, le rebond bêta apparaîtrait uniquement au niveau ipsilatéral. Une différence de

latéralisation a également été mise en évidence pour l’ERD dans les bandes de fréquences

mu et bêta [367]

• Dans une autre étude, les mêmes auteurs, avec semblablement la même base de données,

supposent que la durée de l’imagination de mouvement aurait principalement un impact sur

l’amplitude de l’ERS suivant la MI, l’imagination motrice brève étant moins prédisposée

à générer une ERS puissante [371].

• Enfin, en 2012, Fruitet et al. ont étudié l’influence de la durée de l’imagination motrice en

demandant à deux groupes de sujets de réaliser les deux tâches mentales [356]. Leur étude

montre qu’utiliser une imagination motrice brève (2 s) permet une meilleure performance

de la BCI qu’avec une imagination motrice soutenue (4 s). Malheureusement, le faible

nombre de sujets présents dans les deux groupes, et les modestes taux de classification

obtenus (< 70 %) ne permettent pas d’avoir de certitudes sur les conclusions de cette

étude.

La deuxième question concerne le domaine des BCI en général : la CMI est-elle le bon choix

pour réaliser une BCI efficiente ? En effet, la question mérite d’être posée car plus la tâche

d’imagination est longue, plus l’interaction avec la BCI dure longtemps. Et pourtant, plusieurs

études ont montré que la fatigue pouvait avoir des conséquences néfastes sur le signal EEG et

sur le taux de détection de la BCI [372, 373,374, 375,366, 376, 377]. Si l’on en croit ces études,

réduire au maximum le temps d’interaction avec la BCI pourrait être une solution pour améliorer

sa performance. C’est encore plus vrai pour la tâche d’imagination motrice, qui est une tâche

complexe, souvent difficile à exécuter convenablement et qui nécessite de la concentration et

des aptitudes particulières [372, 229, 215, 378]. De même, pour les expérimentations BCI, les

chercheurs utilisent des paradigmes expérimentaux où les essais sont répétés de nombreuses fois.

4.2. Comparaison entre une imagination motrice discrète et une imagination motrice continue

Cela laisse penser que si la durée de la tâche d’imagination motrice était réduite, sans pour

autant que la précision de la BCI soit amoindrie, alors cette situation serait bénéfique pour les

sujets [379, 321]. Le gain de temps associé à cette pratique pourrait également être utile pour la

phase de calibration du système, celle-ci étant primordiale pour la précision de la BCI. Enfin,

lorsque les sujets réalisent une CMI, il se peut que la répétition d’imaginations motrices durant

quelques secondes entraîne un chevauchement des ERD et des ERS correspondant à chaque

mouvement imaginé, ce qui rendrait alors la CMI moins détectable. Plusieurs études réalisées

sur le mouvement volontaire montre en effet que la superposition des ERD et des ERS peuvent

provoquer une annulation de l’amplitude du signal, et cela laisse penser qu’un tel phénomène

pourrait apparaître lors d’une CMI [185,188,380].

Pour répondre à ces deux interrogations, nous proposons de réaliser une expérience où les

participants réaliseront des mouvements réels discrets, des imaginations motrices discrètes et

des imaginations motrices continues. Nous étudierons les modulations d’ERD et d’ERS, les

cartes temps-fréquences et topographiques correspondant aux différentes tâches motrices pour

mieux comprendre les différences intrinsèques entre les deux types de MI. Par la suite, l’analyse

d’une classificationoffline de ces deux tâches permettra d’évaluer la possibilité de détecter une

imagination motrice discrète.

4.2.2 Matériel et méthode

4.2.2.1 Participants

20 sujets volontaires sains (tous droitiers) ont participé à cette expérience (11 hommes et 9

femmes, de 19 à 45 ans). Les participants n’avaient pas d’antécédents médicaux qui auraient pu

influencer le résultat de l’étude (i.e., diabète, insuffisance rénale, dépression, problème moteur).

Tous les sujets ont donné leur accord et signé un formulaire de consentement éclairé préalablement

approuvé par le comité éthique de l’INRIA avant de participer (COERLE, numéro d’agrément :

2016-011/01). Quatre participants ont été retirés de l’analyse en raison de problèmes liés à des

défauts d’enregistrements ou d’électrodes. Nos analyses porteront donc sur 16 sujets volontaires.

4.2.2.2 Tâches motrices

Pour être au plus près des conditions peropératoires, les trois tâches motrices (RM, CMI et DMI)

ont été réalisées allongées et les yeux fermés.

4.2.2.2.1 Mouvement réel (RM) :la première tâche motrice consistait en une flexion

isométrique de l’index de la main droite sur une souris d’ordinateur. Un bip sonore à basse

fréquence indiquait quand le sujet devait exécuter la tâche. Pour chaque clic de souris, un trigger

était enregistré permettant de connaître le moment de l’exécution motrice (Figure 8).

4.2.2.2.2 Imagination motrice discrète (DMI) :La deuxième tâche consistait en une

imagination motrice discrète mimant le mouvement réel précédemment décrit. Un bip sonore à

basse fréquence indiquait au sujet quand il pouvait démarrer la tâche (Figure 4.8).

4.2.2.2.3 Imagination motrice continue (CMI) :la troisième tâche était une CMI durant

quatre secondes. Les participants imaginaient plusieurs (si possible quatre) flexions et extensions

de l’index droit. Ainsi, la différence entre les deux MIs consistait en la répétition du mouvement

imaginé pendant plusieurs secondes. Pour cette tâche, deux bips sonores étaient utilisés : un à

basse fréquence pour donner le signal de go et un autre à haute fréquence 4 s plus tard signifiant

Figure 4.8: Schéma décrivant le timing utilisé pour les trois conditions motrices : mouvement

réel (RM, en haut), l’imagination motrice discrète (DMI, au milieu) et l’imagination motrice

continue (CMI, en bas). Les sessions motrices (DMI et CMI) ont été randomisées.

l’arrêt de la CMI (Figure 4.8).

4.2.2.3 Paradigme expérimental

Les trois tâches motrices ont été réalisées le même jour et correspondent à une session chacune.

Les sessions étaient découpées en différentsruns, et plusieurs pauses étaient prévues entre les

runs pour éviter la fatigue. Avant de commencer l’expérience, les différentes sessions et tâches

motrices associées étaient décrites au sujet. Un temps de pratique des tâches était accordé,

particulièrement pour les tâches d’imaginations motrices discrète et continue. La session 1

correspondait au mouvement réel (RM) et était divisée en deuxruns de 50 essais. Les sessions

2 et 3 correspondaient aux imaginations motrices discrète (DMI) et continue (CMI) et étaient

composées de 4 runs de 25 essais chacun. En tout, 100 essais étaient réalisés pour chaque tâche

motrice. Une randomisation desrunspour la session 2 et la session 3 a été appliquée afin d’éviter

les biais de fatigue ou de perte de concentration. La session 1 n’a pas été randomisée pour des

raisons pratiques. En effet, elle permettait aux sujets de se familiariser avec la tâche motrice

réelle avant de réaliser les imaginations de mouvement. Et aussi car cette condition avait surtout

un rôle de témoin dans cette étude, permettant de s’assurer de la présence d’ERD et d’ERS

pendant les différentes tâches motrices.

4.2.2.4 Enregistrement EEG

les signaux EEG ont été enregistrés via le logiciel OpenViBE avec un système d’acquisition

électroencéphalographique REFA

2

. Neuf électrodes couvrant la zone du cortex moteur et

pré-moteur ont été enregistrées : FC3, C3, CP3, FCz, Fz, CPz, FC4, C4 et CP4. Aucun filtrage

supplémentaire n’a été utilisé pendant l’enregistrement. Les impédances des électrodes étaient

inférieures à 5kΩ durant toute l’expérience. Un scénario OpenViBE a été utilisé pour permettre de

générer les signaux sonores et d’enregistrer le moment auquel les sujets réalisaient le mouvement

volontaire (clic de souris). Tous les essais de mouvements réels qui ont été ratés ont été retirés

des analyses.

4.2. Comparaison entre une imagination motrice discrète et une imagination motrice continue

Figure 4.9: Schéma expérimental représentant la mise en place de l’expérience. Les sujets

étaient allongés sur un tapis de sol, les yeux fermés. Leur main droite reposait sur une souris

d’ordinateur. Le système d’acquisition électroencéphalographique Refa de TMSi et le logiciel

OpenViBE ont permis d’enregistrer les signaux EEG et les triggers associés au mouvement réel.

4.2.2.5 Modulation ERD/ERS

Pour évaluer les modulations d’ERD et d’ERS générées par les 3 tâches motrices, nous avons

utilisé laband power method [381]. Tout d’abord, le signal EEG a été filtré entre 8-30 Hz (mu

+ bêta) pour tous les sujets à l’aide d’un filtre Butterworth d’ordre 4. Ensuite, le signal a été

découpé en isolant chaque essai et une moyenne a été calculée sur l’ensemble des essais. Enfin,

nous avons utilisé une fenêtre glissante de 250 ms avec un pas de glissement de 100 ms pour

visualiser les modulations d’ERD/ERS.

4.2.2.6 Classification

Pour discriminer deux tâches d’imagination motrice (CMI et DMI), l’algorithmeCommon Spatial

Pattern(CSP) a été utilisé pour extraire les caractéristiques d’intérêt. Cet algorithme a généré une

série de filtres spatiaux qui ont été appliqués pour décomposer les données multidimensionnelles

en un ensemble de composants non corrélés qui maximisent simultanément la variance d’une

classe tout en minimisant la variance d’une autre classe. Dans cette expérience, les deux classes

utilisées correspondent à un état de repos et à un état durant lequel la DMI ou la CMI était

réalisée. Trois paires de combinaisons linéaires ont été obtenues à partir des signaux EEG filtrés

entre 8-30 Hz. Pour l’état de repos, nous avons considéré une fenêtre de deux secondes avant le

signal de GO [-3 s ; -1 s] (Figures 4.10 et 4.11). Pour la DMI, les caractéristiques ont été extraites

après le signal de GO [0,2 s ; 1 s]. Les caractéristiques pour la CMI ont été calculées après le

signal GO [0,2 s ; 3 s] (Figures 4.10 et 4.11). Par la suite, un classifieur basé sur une analyse

linéaire discriminante (LDA) a été entraîné et a permis de discriminer les deux états mentaux

(Figure 4.13B).

Figure 4.10: Grand moyennage des modulations ERD/ERS (n=16) dans la bande de fréquence

mu + bêta (8-30 Hz) pour les trois conditions motrices : mouvement réel (RM, en bleu),

imagination motrice discrète (DMI, en vert) et imagination motrice continue (CMI, en orange).

Un bip sonore indiquait le début de la tâche motrice tandis qu’un second bip sonore signifiait la

fin de la tâche de CMI.

4.2.3 Résultats

Pour montrer que la DMI peut générer des modulations de l’activité cérébrale au niveau du cortex

moteur et être détectée par une BCI, nous avons d’abord analysé les modulations ERD/ERS

entre 8 et 30 Hz pour l’électrode C3, puis nous avons effectué une classification offline avec

validation croisée de la tâche de CMI et de DMI.

4.2.3.1 Modulation ERD/ERS

Il convient de préciser que les trois tâches ont été réalisées les yeux fermés, et que l’analyse de

la bande de fréquence mu a été perturbée, c’est-à-dire que l’ERD était moins visible (confirmé

d’ailleurs par une temps-fréquence). La puissance relative issue du grand moyennage entre 8-30

Hz sur l’électrode C3 montre (Figure 4.10) :

• une différence significative (Friedman, p<0.05) entre l’ERD présente pendant le

mouve-ment volontaire et l’ERD apparaissant pendant la CMI et la DMI ;

• une différence significative est également observée si l’on compare l’ERS post-tâche motrice

pour le mouvement réel et les deux types de MIs ;

• pendant le CMI, les sujets ont imaginé plusieurs mouvements dans une fenêtre temporelle

de 4 secondes, ce qui entraîne une diminution globale de l’activité pendant la tâche ;

• l’ERS post-CMI est plus importante que l’ERS post-DMI.

L’analyse des modulations pour chaque sujet montre que (Figure 4.11) :

• l’évolution de l’ERD vers l’ERS est rapide (moins d’une seconde) et peut être liée au type

de mouvement réalisé par les sujets ;

4.2. Comparaison entre une imagination motrice discrète et une imagination motrice continue

• certains sujets (S1, S2, S5, S6, S10) ont une ERS plus robuste produite par DMI tandis

que d’autres n’ont pas de rebond bêta ;

• certains sujets (S9, S10, S15) ont une ERD fort après la tâche de DMI ;

• certains sujets (S7, S9, S11) ne présentent pas d’ERD durant la tâche, ce qui pourrait

avoir un effet négatif sur la phase de classification ;

• d’autres sujets (S2, S15) ont un profil différent puisqu’une première ERS est atteinte une

seconde après le début de la CMI, puis la puissance augmente et diminue à nouveau, en

étant modulée de cette manière pendant 3 secondes. En effet, pour certains sujets l’ERD

globale peut être considérée comme la concaténation de plusieurs ERD et ERS en raison

de la réalisation de plusieurs MI.

4.2.3.2 Cartes topographiques

L’analyse des cartes topographiques montre que pour le mouvement réel, l’ERS est bien plus

importante sur la zone de l’électrode C3 (Figure 4.12). Pour la DMI, une désynchronisation

d’environ 5 % apparaît sur la zone C3 juste après le premier bip sonore. Une seconde plus tard,

le rebond bêta apparaît, et est plus présent autour de la zone C3. Pour la CMI, une ERD est

légèrement visible, mais il est difficile d’identifier une synchronisation ou une désynchronisation

durant les 4 secondes. La compréhension des profils individuels d’ERD et d’ERS entre les sujets

pour la tâche CMI est cruciale pour améliorer la phase de classification dans une BCI.

4.2.3.3 Classification

Pour chaque sujet, 4 runs de 25 essais étaient disponibles. Nous avons utilisé une validation

croisée avec 3 essais pour la phase d’entraînement et 1 essai pour le test (4 permutations). La

Figure 4.13B présente la précision moyenne de la détection pour chacune des trois tâches motrices

et pour trois bandes de fréquences (alpha, bêta et alpha + bêta). La Figure 4.13A présente le

détail de la précision de détection pour chaque sujet.

La précision moyenne pour RM, DMI et CMI est respectivement de 78,4 %, 71,9 % et 71,4 %.

Détecter les mouvements réels est plus facile que détecter une imagination motrice, qu’elle soit

continue ou discrète. Il n’y a pas de différence significative entre la précision de détection d’une

DMI ou d’une CMI, bien que pour certains sujets (S5, S6, S9, S16), cette tâche paraît plus facile

à détecter. Il semble que la bande de fréquences 8-30 Hz augmente la précision de la classification.

Enfin, si l’on compare la précision de la classification entre une DMI et une CMI sur la même

période [0,2 ; 1] s, on obtient un résultat équivalent.

4.2.4 Discussion

Afin d’améliorer la détection des réveils peropératoires, nous souhaitions vérifier qu’une

imagina-tion motrice très brève ou continue entraînait tous deux des modulaimagina-tions de l’activité cérébrale

motrice, et qu’elles pouvaient être détectables via une classificationoffline. Pour cela, les sujets

ont effectué des mouvements volontaires (i.e., flexion isométrique de l’index droit) et des

imagi-nations motrices discrètes et continues basées sur ce même mouvement. Les résultats montrent

que la puissance dans la bande de fréquence 8-30 Hz est modulée pendant les trois tâches, et la

comparaison entre les différentes ERS post-tâches suggère qu’en moyenne, les sujets ont une ERS

plus forte pendant une CMI qu’une DMI. Cependant, ce n’est pas le cas pour tous les sujets.

Enfin, le taux de détection d’une DMI est aussi précis que celui d’une CMI, laissant penser que

l’imagination motrice discrète pourrait être utilisée dans le domaine des BCI en général.

Figure 4.11: Grand moyennage des courbes ERD/ERS% (8-30 Hz) pour l’électrode C3 et les

trois conditions motrices : mouvement réel (RM, en haut), imagination motrice discrète (DMI,

au milieu) et imagination motrice continue (CMI, en bas). La courbe noire en gras indique le

grand moyennage également visible sur la Figure 4.10. Un bip sonore indiquait le début de la

tâche motrice tandis qu’un second bip sonore signifiait la fin de la tâche de CMI.

4.2. Comparaison entre une imagination motrice discrète et une imagination motrice continue

Dans le document Apport de la stimulation du nerf médian dans la conception d'une BCI basée sur l'activité cérébrale motrice : vers l'amélioration de la détection des réveils peropératoires au cours de l'anesthésie générale (Page 96-110)