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Bien que l’imagerie motrice positive ait été bien étudiée et est utilisée en réhabilitation, l’effet de l’imagerie motrice négative est beaucoup moins connu. Le but de cette recherche était de définir si l’intention et/ou l’imagerie motrice négative serait en mesure de réduire l’effet d’une stimulation magnétique transcrânienne (SMT) sur le cortex moteur. Vingt participants ont reçu trente stimulations de SMT dans trois situations différentes : En restant passif, en portant une attention particulière aux sensations dans leur main ou en tentant de réduire l’effet de la SMT. La moitié des participants ont utilisé une stratégie d’imagerie motrice, l’autre moitié leur intention. Dans les deux cas, l’amplitude dans la condition de modulation n’a pas été réduite de façon significative. / Although positive motor imagery has been widely studied and is used in rehabilitation, the effect of negative motor imagery on our motor system is less well understood. Our goal was to ascertain whether intention and/or negative visual imagery is effective in decreasing the twitch resulting from transcranial magnetic stimulation (TMS) over the primary motor cortex. Twenty participants received 30 TMS stimulations in three different conditions: remaining passive, paying particular attention to the sensations in their hand, and attempting to modulate the amplitude of the resulting movement. To do this, half the participants used an imagery strategy, whereas the other half used an intention strategy. In both cases, amplitude in the modulation condition was not significantly reduced.

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %. / A Brain-Computer Interface (BCI) decodes the brain signals representing a desire to do something, and transforms those signals into a control command. However, only a limited number of mental tasks have been previously detected and classified. Performing a real or imaginary navigation movement can similarly change the brainwaves over the motor cortex. We used an ERS-BCI to see if we can classify between movements in forward and backward direction offline and then online using different methods. Ten healthy people participated in BCI experiments comprised two-sessions (48 min each) in a virtual environment tunnel. Each session consisted of 320 trials where subjects were asked to imagine themselves moving in the tunnel in a forward or backward motion after a randomly presented (forward versus backward) command on the screen. Three EEG electrodes were mounted bilaterally on the scalp over the motor cortex. Trials were conducted with feedback. In session 1, Band Power method, Time-frequency representation, Autoregressive models and asymmetry ratio were used in the β rhythm range with a Linear-Discriminant-analysis classifier and a Support Vector Machine classifier to discriminate between the two mental tasks. Thresholds for both tasks were computed offline and then used to form control signals that were used online in session 2 to trigger the virtual tunnel to move in the direction requested by the user's brain signals. After 96 min of training, the online band-power biofeedback training achieved an average classification precision of 76 %, whereas the offline classification with asymmetrical ratio and band-power achieved an average classification precision of 80%.

L'objectif de ces travaux de recherche est l'étude et le développement d'un système ICM embarqué en utilisant la méthodologie de conception conjointe afin de satisfaire ses contraintes spécifiques. Il en a découlé la constitution d'un système ICM complet intégrant un système d'acquisition OpenBCI et un système de traitement à base de FPGA. Ce système pourrait être utilisé dans des contextes variés : médicale (pour les diagnostiques précoces des pathologies), technologique (informatique ubiquitaire), industriel (communication avec des robots), ludique (contrôler un joystick dans les jeux vidéo), etc. Dans notre contexte d’étude, la plateforme ICM proposée a été réalisée pour assister les personnes à mobilité réduite à commander les équipements domestiques. Nous nous sommes intéressés en particulier à l'étude et à l'implémentation des modules de filtrage adaptatif et dynamique, sous forme d'un coprocesseur codé en HDL afin de réduire son temps d'exécution car c'est le bloc le plus critique de la chaine ICM. Quant aux algorithmes d'extraction des caractéristiques et de classification, ils sont exécutés par le processeur Nios-II sous son système d'exploitation en ANSI-C. Le temps de traitement d'un trial par notre système ICM réalisé est de l'ordre de 0.4 s/trial et sa consommation ne dépasse guère 0.7 W. / The main purpose of this thesis is to study and develop an embedded brain computer interface (BCI) system using HW/SW methodology in order to satisfy the system specifications. A complete BCI system integrated in an acquisition system (OpenBCI) and a hardware platform based on the FPGA were achieved. The proposed system can be used in a variety of contexts: medical (for early diagnosis of pathologies, assisting people with severe disabilities to control home devices system through thought), technological (ubiquitous computing), industrial (communication with Robots), games (control a joystick in video games), etc. In our study, the proposed ICM platform was designed to control home devices through the thought of people with severe disabilities. A particular attention has been given to the study and implementation of the filtering module, adaptive and dynamic filtering, in the form of a coprocessor coded in HDL in order to reduce its execution time as it is the critical block in the returned ICM algorithms. For the feature extraction and classification algorithms, they are executed in the Nios-II processor using ANSI-C language. The prototype operates at 200 MHz and performs a real time classification with an execution delay of 0.4 second per trial. The power consumption of the proposed system is about 0.7 W.

Les interfaces cerveau-ordinateur (ou BCI en anglais pour Brain-Computer Interfaces) mettent en place depuis le système nerveux central un circuit artificiel secondaire qui remplace l’utilisation des nerfs périphériques, permettant entre autres à des personnes ayant une déficience motrice grave d’interagir, uniquement à l’aide de leur activité cérébrale, avec différents types d’applications, tels qu’un système d’écriture, une neuro-prothèse, un fauteuil roulant motorisé ou un bras robotique. Une technique répandue au sein des BCI pour enregistrer l’activité cérébrale est l’électroencéphalographie (EEG), étant donné que contrairement à d’autres techniques d’imagerie, elle est non invasif et peu coûteuse. En outre, l’imagination motrice (MI), c’est-à-dire les oscillations des neurones du cortex moteur générées lorsque les sujets imaginent effectuer un mouvement sans réellement l’accomplir, est appropriée car détectable dans l’EEG et liée à l’activité motrice pour concevoir des interfaces comme des neuro-prothèses non assujetties à des stimuli. Cependant, même si des progrès importants ont été réalisés au cours des dernières années, un contrôle 3D complet reste un objectif à atteindre. Afin d’explorer de nouvelles solutions pour surmonter les limitations existantes, nous présentons une approche multiclasses qui considère la détection des imaginations motrices combinées. Le paradigme proposé comprend l’utilisation de la main gauche, de la main droite, et des deux pieds ensemble. Ainsi, par combinaison, huit commandes peuvent être fournies pour diriger un bras robotisé comprenant quatorze mouvements différents qui offrent un contrôle 3D complet. À cette fin, un système de commutation entre trois modes (déplacement du bras, du poignet ou des doigts) a été conçu et permet de gérer les différentes actions en utilisant une même commande. Ce système a été mis en oeuvre sur la plate-forme OpenViBE. En outre, pour l’extraction de caractéristiques une nouvelle approche de traitement d’information fournie par les capteurs a été développée sur la base de l’emplacement spécifique des sources d’activité liées aux parties du corps considérées. Cette approche permet de regrouper au sein d’une seule classe les différentes actions pour lesquelles le même membre est engagé, d’une manière que la tâche multiclasses originale se transforme en un problème équivalent impliquant une série de modèles de classification binaires. Cette approche permet d’utiliser l’algorithme de Common Spatial pattern (CSP) dont la capacité à discriminer des rythmes sensorimoteurs a été largement montrée mais qui présente l’inconvénient d’être applicable uniquement pour différencier deux classes. Nous avons donc également contribué à une nouvelle stratégie qui combine un ensemble de CSP et la géométrie riemannienne. Ainsi des caractéristiques plus discriminantes peuvent être obtenues comme les distances séparant les données des centres des classes considérées. Ces stratégies ont été appliquées sur trois nouvelles approches de classification qui ont été comparées à des méthodes de discrimination multiclasses classiques en utilisant les signaux EEG d’un groupe de sujets sains naïfs, montrant ainsi que les alternatives proposées permettent non seulement d’améliorer l’existant, mais aussi de réduire la complexité de la classification / Brain-Computer Interfaces (BCIs) replace the natural nervous system outputs by artificial ones that do not require the use of peripheral nerves, allowing people with severe motor impairments to interact, only by using their brain activity, with different types of applications, such as spellers, neuroprostheses, wheelchairs, or among others robotics devices. A very popular technique to record signals for BCI implementation purposes consists of electroencephalography (EEG), since in contrast with other alternatives, it is noninvasive and inexpensive. In addition, due to the potentiality of Motor Imagery (MI, i.e., brain oscillations that are generated when subjects imagine themselves performing a movement without actually accomplishing it) to generate suitable patterns for scheming self-paced paradigms, such combination has become a common solution for BCI neuroprostheses design. However, even though important progress has been made in the last years, full 3D control is an unaccomplished objective. In order to explore new solutions for overcoming the existing limitations, we present a multiclass approach that considers the detection of combined motor imageries, (i.e., two or more body parts used at the same time). The proposed paradigm includes the use of the left hand, right hand, and both feet together, from which eight commands are provided to direct a robotic arm comprising fourteen different movements that afford a full 3D control. To this end, an innovative switching-mode scheme that allows managing different actions by using the same command was designed and implemented on the OpenViBE platform. Furthermore, for feature extraction a novel signal processing scheme has been developed based on the specific location of the activity sources that are related to the considered body parts. This insight allows grouping together within a single class those conditions for which the same limb is engaged, in a manner that the original multiclass task is transformed into an equivalent problem involving a series of binary classification models. Such approach allows using the Common Spatial Pattern (CSP) algorithm; which has been shown to be powerful at discriminating sensorimotor rhythms, but has the drawback of being suitable only to differentiate between two classes. Based on this perspective we also have contributed with a new strategy that combines together the CSP algorithm and Riemannian geometry. In which the CSP projected trials are mapped into the Riemannian manifold, from where more discriminative features can be obtained as the distances separating the input data from the considered class means. These strategies were applied on three new classification approaches that have been compared to classical multiclass methods by using the EEG signals from a group of naive healthy subjects, showing that the proposed alternatives not only outperform the existing schema, but also reduce the complexity of the classification task

This study focuses on realization of a Brain Computer Interface (BCI)for the paralyzed to control assistive environmental devices. For this purpose, different motor imagery tasks are classified using different signal processing methods. Specifically, band-pass filtering, Laplacian filtering, and common average reference (CAR) filtering areused to enhance the EEG signal. For feature extraction / Common Spatial Pattern (CSP), Power Spectral Density (PSD), and Principal Component Analysis (PCA) are tested. Linear Feature Normalization (LFN), Gaussian Feature Normalization (GFN), and Unit-norm Feature Vector Normalization (UFVN) are studied in Support Vector Machine (SVM) and Artificial Neural Network (ANN) classification. In order to evaluate and compare the performance of the methodologies, classification accuracy, Cohen&rsquo / s kappa coefficient, and Nykopp&rsquo / s information transfer are utilized. The first experiments on classifying motor imagery tasks are realized on the 3-class dataset (V) provided for BCI Competition III. Also, a 4-class problem is studied using the dataset (IIa) provided for BCI Competition IV. Then, 5 different tasks are studied in the METU Brain Research Laboratory to find the optimum number and type of tasks to control a motor imagery based BCI. Thereafter, an interface is designed for the paralyzed to control assistive environmental devices. Finally, a test application is implemented and online performance of the design is evaluated.

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %. / A Brain-Computer Interface (BCI) decodes the brain signals representing a desire to do something, and transforms those signals into a control command. However, only a limited number of mental tasks have been previously detected and classified. Performing a real or imaginary navigation movement can similarly change the brainwaves over the motor cortex. We used an ERS-BCI to see if we can classify between movements in forward and backward direction offline and then online using different methods. Ten healthy people participated in BCI experiments comprised two-sessions (48 min each) in a virtual environment tunnel. Each session consisted of 320 trials where subjects were asked to imagine themselves moving in the tunnel in a forward or backward motion after a randomly presented (forward versus backward) command on the screen. Three EEG electrodes were mounted bilaterally on the scalp over the motor cortex. Trials were conducted with feedback. In session 1, Band Power method, Time-frequency representation, Autoregressive models and asymmetry ratio were used in the β rhythm range with a Linear-Discriminant-analysis classifier and a Support Vector Machine classifier to discriminate between the two mental tasks. Thresholds for both tasks were computed offline and then used to form control signals that were used online in session 2 to trigger the virtual tunnel to move in the direction requested by the user's brain signals. After 96 min of training, the online band-power biofeedback training achieved an average classification precision of 76 %, whereas the offline classification with asymmetrical ratio and band-power achieved an average classification precision of 80%.

Les informations sensorielles peuvent être atténuées de la périphérie jusqu'au cortex durant le mouvement. Notre hypothèse est que l'information somatosensorielle serait facilitée durant la planification du pas où il serait inopportun de supprimer ces informations cruciales. Nous avons enregistré les potentiels somatosensoriels (SEPs) évoqués par vibration bilatérale des muscles des chevilles afin de stimuler la proprioception.Les résultats montrent que la composante évoquée corticale précoce restait inchangée mais une composante tardive négative était significativement augmentée durant la planification du pas.Pour tester si cette facilitation proprioceptive était due aux contraintes d'équilibre, la même expérience fut effectuée en microgravité où cette facilitation disparut, malgré la restauration d'un cadre de référence spatial.Cette facilitation tardive survint pendant l'imagerie motrice kinesthésique d'un pas planifié, démontrant que l'imagerie mentale intègrerait les contraintes d'équilibre et posturales requises pour la tâche, ceci étant confirmé par la disparition de cette facilitation lors de la planification du pas imaginé en microgravité.Ceci démontre au niveau neurophysiologique, une modulation de la transmission des afférences sensorielles selon leur pertinence pour planifier un mouvement. Cette facilitation résulterait de mécanismes prédictifs reliés à l'importance de contrôler l'équilibre du corps avant l'initiation du pas, car ce processus survint durant la planification d'un pas exécuté ou imaginé. Il serait basé sur un modèle interne de l'action impliquant des lois physiques du mouvement (1-g modèle) car cette facilitation fut supprimée en microgravité. / Sensory inputs can be attenuated from the periphery to the cortex during voluntary movements. Our hypothesis is that the somatosensory information could be facilitated during the planning of a step. It would appear dysfunctional to suppress somatosensory information, which is considered to be of the utmost importance for gait planning. We recorded somatosensory potentials (SEPs) evoked by bilateral ankle vibration to stimulate proprioception. Results showed that cortical early evoked component remained unchanged but a negative late component was significantly increased during step planning. To determine whether this facilitation of proprioceptive inputs was related to gravitational equilibrium constraints, we performed the same experiment in microgravity. In the absence of equilibrium constraints, both components did not significantly differ between the static and stepping conditions, despite the restoration of a body in space reference frame.This late facilitation occurred during kinesthetic motor imagery of a planned step, suggesting that mental imagery would integrate postura and balance constraints required for the task, as it was confirmed byt the lack of this facilitation during the planning of an imagined step in microgravity.These observations provide neurophysiological evidence that the brain exerts a dynamic control over the transmission of the afferent signal according to their current relevance during movement preparation.These processes should be based on internal model of action involving the physical laws of motion (1g-model) as this sensory facilitation was suppressed in microgravity when planning motor imagery.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:39:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Olivia Morgan Lapenta.pdf: 1151745 bytes, checksum: 91e51a2bad20664489c6aae6c59924b6 (MD5) Previous issue date: 2012-08-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The Mental Simulation theory suggests activation of the motor network during imagery and execution of movements, similarly to the activation during observation and execution of actions, which is mediated by the Mirror Neuron System. This activation can be measured using eletroencefalography register of Mu rhythm suppression. It is propose that motor network activation and therefore increase of cortical excitability at primary motor cortex and Mu dessynchronization are due to premotor Miror-Neuron System inputs. Transcranial direct current stimulation is a neuromodulation technique that induce facilitation and inhibition of neural firing leading to enhance or decrease in cortical excitability, respectively. Thus, we propose to evaluate the polarity dependent effects of this technique in the Mu rhythm during biological and non-biological movements observation and imagery tasks. Therefore we applied anodal, cathodal and sham stimulation in 21 male subjects (mean age 23.8+3,06), over left primary motor cortex (2mA for 20min) and immediately after we registered the electroencephalography considering the electrodes C3, C4 and surrounding C3 and C4 and Cz. Analyses of C3 and C4 showed significant effects according to Movement (p=0.005), and also for the interactions between type of stimulation and hemisphere (p=0.04) and type of stimulation, movement and hemisphere (p=0.02). Surrounding electrodes analyses revealed significant effect for the interaction between stimulation type, task condition and movement type (p=0.03). Thus, the main findings of this study were i. Mu suppression for biological movement (in both imagery and observation) of the hand region in the contralateral hemisphere after sham stimulation, ii. reverse effect for the surrounding electrodes during imagery condition and iii. polarity-dependent neuromodulation of the Mu rhythm. The results are discussed considering focal ERD/ surrounding ERS according to the type of task. We concluded that there are contralateral focal Mu dessynchronization during observation and imagery of biological movements together with syncronizarion of the motor areas not involved in the task only for the imagery condition and that transcranial direct current stimulation has a significant effect under the entire electrode and according to the applied polarity. The use of transcranial direct current stimulation followed by observation and imagery tasks might be an interesting intervention strategy for disturbances involving motor ability impairment as well as deficits related to imitation and comprehension of other s actions. / A teoria de simulação mental sugere ativação da rede neural motora durante mentalização e execução de movimentos, de maneira análoga à ativação em observação e execução de ações, o que é mediado pelo Sistema de Neurônios-Espelho. Esta ativação pode ser mensurada por supressão do ritmo Mu registrado por eletroencefalografia. É proposto que a ativação de áreas motoras e, portanto, o aumento de excitabilidade cortical em cortex motor primário e a dessincronização do ritmo Mu ocorram em consequência de insumo proveniente do Sistema Neurônios-Espelho pré-motor. A estimulação transcraniana por corrente contínua consiste numa técnica de neuromodulação por facilitação e inibição de disparo neuronal levando a aumento e redução de excitabilidade cortical, respectivamente. Assim, foi proposto avaliar os efeitos polaridade dependentes desta técnica sobre ritmo Mu durante tarefas de observação e mentalização de movimentos biológicos e não biológicos. Para tal, aplicamos estimulação anódica, catódica e placebo em 21 homens destros (idade média de 23.8+3,06), sobre córtex motor primário esquerdo (2mA por 20min) e, em seguida foi feito o registro eletroencefalográfico considerando os eletrodos C3, C4 e entorno de C3 e C4 e Cz. A análise de C3 e C4 apresentou efeitos significativos quanto ao tipo de Movimento (p=0.005) e ainda quanto as interações entre tipo de estimulação e hemisfério (p=0.04) e tipo de estimulação, de movimento e hemisfério (p=0.02). A análise dos eletrodos do entorno revelou efeito significativo para a interação entre tipo de estimulação, condição da tarefa e tipo de movimento (p=0.03). Assim, os principais achados do estudo foram i. supressão de Mu para movimento biológico (em mentalização e observação) da região da mão em hemisfério contralateral após estimulação placebo, ii. efeitos inversos para eletrodos de entorno em condição de mentalização e iii. neuromodulação polaridade dependente de ritmo Mu. Os resultados de oscilação de Mu são discutidos considerando ERD focal/ ERS entorno de acordo com o tipo de tarefa. Concluímos que há dessincronização contralateral focal de Mu durante observação e mentalização de movimentos biológicos, acompanhada por sincronização de áreas motoras não envolvidas na tarefa apenas na condição de mentalização e que a estimulação transcraniana por corrente contínua tem efeito sob toda a superfície do eletrodo e difere de acordo com a polaridade aplicada. O uso da estimulação transcraniana por corrente contínua combinada com tarefas de observação e mentalização pode conferir uma estratégia interessante de intervenção em distúrbios envolvendo comprometimento das habilidades motoras bem como comprometimento de habilidades de imitação e compreensão das ações do outro.