Fabien Lotte veut améliorer le contrôle des systèmes par l’activité cérébrale

C’est durant son stage de fin d’études dans l’équipe SIAMES de Bruno Arnaldi au Centre Inria de Rennes que le chercheur Fabien Lotte « tombe » dans les interfaces humain-machine. Nous sommes en 2005… À l’époque, la France est assez en retard dans le domaine. Lui qui n’avait pas prévu de faire de thèse devient l’un des premiers doctorants à travailler sur les interfaces cerveau-ordinateur dans l’hexagone, sous la direction de Bruno Arnaldi et Anatole Lécuyer. Son sujet ? Concevoir une interface qui permette d’interagir avec un environnement virtuel grâce à l’analyse de l’activité cérébrale. Un défi dont l’aspect très multidisciplinaire l’enthousiasme immédiatement. Sciences cognitives, mathématiques, neurosciences, etc. : pour réussir l’interfaçage, l’informatique doit se nourrir de toutes ces connaissances. « C’est un domaine encore très nouveau, où tout reste à faire ! », se réjouit Fabien Lotte. « C’est très excitant car il y a plein de choses à découvrir et à comprendre, et on a l’impression de vraiment pouvoir faire progresser les choses… ». Sans oublier le petit côté science-fiction qui n’est pas pour déplaire à celui qui se considère lui-même comme un geek.

Obtenu en 2008, son doctorat est récompensé par deux prix de thèse. Il sera aussi l’occasion de participer au tout premier projet français sur le BCI* (En anglais : Brain-Computer Interface) financé par l’ANR (Agence nationale de la recherche) : OpenViBE. Plus de 10 ans après, le logiciel libre et gratuit qui en résulte reste très utilisé un peu partout dans le monde pour concevoir des interfaces cerveau-ordinateur. 

Cap ensuite sur Singapour, pour deux ans de post-doctorat, de janvier 2009 à décembre 2010, à l’Institute for Infocomm Research qui vient à l’époque de gagner toutes les épreuves d’une compétition internationale de BCI basées sur l’analyse des signaux d’électro-encéphalogramme (EEG). Aux yeux de Fabien Lotte, le laboratoire, réputé, présente en plus l’avantage de se situer dans un pays anglophone et lointain. Il y travaille sur l’analyse des signaux cérébraux et développe une méthode qui combine traitement du signal et apprentissage artificiel, afin d’améliorer la façon d’identifier des mouvements dans l’activité cérébrale mesurée par électroencéphalographie. Ce qui permet, par exemple, de mettre au point « des algorithmes qui savent reconnaitre de manière robuste et avec un temps de calibration plus court si une personne est en train d’imaginer un mouvement de la main gauche ou de la main droite ».



Mesurer la charge mentale

En cours de deuxième année de post-doctorat, il postule à plusieurs postes, et choisit Inria à Bordeaux, car l’absence de charge d’enseignement lui laisse beaucoup de temps pour ses travaux. Il y entre comme chargé de recherche en 2011, au sein de ce qui est en train de devenir l’équipe Potioc, dirigée par Martin Hachet, et spécialisée dans les interactions humain-machine. 

Alors que jusqu’ici il travaillait surtout sur l’aspect machine des interfaces – comment analyser les signaux et les utiliser pour contrôler des systèmes, Fabien Lotte entame une transition vers l’humain au contact de Martin Hachet. Ensemble en co-endrant doctorants et post-doctorants ils vont montrer qu’il est possible de mesurer la charge mentale, c’est-à-dire le niveau d’effort mental fourni par une personne, grâce à l’analyse de ses signaux EEG. De quoi obtenir une donnée objective sur la difficulté qu’éprouve quelqu’un à apprendre à contrôler une interface donnée. De plus, Fabien Lotte commence à s’intéresser au fait que, pour qu’une interface cerveau-ordinateur fonctionne bien, il ne faut pas seulement que la machine soit efficace, mais également que l’humain soit capable de produire des signaux cérébraux clairs et distincts, qui puissent être reconnus parmi l’ensemble des signaux de son activité cérébrale.



Des collaborations avec des chercheurs en sciences cognitives, en neurosciences et en psychologie


C’est ainsi que cet informaticien « qui ne connait rien à l’humain », est amené à se demander quelles informations renvoyer à l’utilisateur pour faciliter son apprentissage. Une approche atypique ! En effet, si dans ce domaine les recherches sont nombreuses sur les aspects propres aux machines, qu’il s’agisse des algorithmes d’apprentissage artificiel ou de traitement de signal, peu de personnes travaillent sur l’autre bout de l’interface : la compréhension de comment l’humain contrôle un système, et pourquoi 10 à 30% d’entre nous n’y parviennent pas… Fabien Lotte entame donc des collaborations et co-encadrements de thèses avec des chercheurs en sciences cognitives, en neurosciences, et même en psychologie. Certaines aptitudes comme la capacité à isoler et à manipuler des images mentales par exemple vont en effet permettre de prédire un bon contrôle de l’interface par la personne, à l’inverse d’autres états mentaux, comme l’anxiété. 

C’est d’ailleurs cet angle d’attaque original qui lui vaudra, en 2016, l’attribution d’une bourse ERC (European Research Council). Une manne prestigieuse qui « m’a rendu d’un coup beaucoup plus visible… Tout en me donnant nettement plus de travail ! », confie en souriant Fabien Lotte. « Depuis l’ERC, on me demande mon expertise, on me sollicite pour des collaborations, voire des keynotes dans des conférences… », détaille-t-il. Mais ce que la bourse a surtout changé pour le chercheur, c’est la possibilité de mettre en place un projet ambitieux grâce au financement octroyé pour 5 ans. Une vision qui passe par le recrutement de plusieurs doctorants, d’un post-doctorant et d’un ingénieur pour son équipe. Ses collaborateurs, Fabien Lotte les a volontairement choisis avec des connaissances dans des disciplines variées, pour construire l’une de ces équipes mixtes qui sont l’un des grands atouts de la recherche selon Inria. Une multitude de points de vue avec un seul et même objectif : développer des outils adaptés pour former les humains à un meilleur contrôle des interfaces cerveau-ordinateur.

* Brain computer interface


Avec le Dr Bertrand Glize et le Pr. Pierre-Alain Joseph, du CHU de Bordeaux, Fabien Lotte travaille depuis fin 2016 sur une application très concrète des interfaces cerveau-ordinateur : l’aide à la rééducation. Après un accident vasculaire cérébral, de nombreux patients souffrent en effet de lésions cérébrales pouvant mener à la paralysie de certains membres. Selon la littérature scientifique récente, la récupération peut être facilitée si la volonté d’un patient de faire bouger son membre paralysé peut être détectée et déclencher une action en retour : visualiser un bras virtuel faisant le mouvement, faire bouger le membre visé grâce à un robot ou y envoyer des vibrations… Le chercheur et ses collaborateurs ont lancé cette année un projet clinique. Leurs objectifs ? Déterminer quels sont les patients qui peuvent bénéficier au mieux de la détection de cette activité cérébrale motrice et quel type de feedback sera le plus efficace pour la rééducation.