Développement d'un système de stimulation en temps réel de l'activité cérébrale

Près d'un tiers de notre vie est consacré au sommeil, et pourtant la connaissance que nous en avons est encore limitée. Que se passe-t-il vraiment pendant cet état inconscient ? L'avancée des technologies du siècle dernier a permis de grandes découvertes dans ce domaine avec le développement de l'électroencéphalographie et les premières analyses de l'activité cérébrale, afin de comprendre au mieux les fonctions cognitives et les états cérébraux. Certaines oscillations, comme les «sleep spindles», jouent un rôle dans le processus de consolidation de la mémoire. Cependant, un lien de causalité reste encore à étudier : la stimulation des «sleep spindles» va-t-elle avoir un impact sur cette consolidation ? Pour répondre à cette question, il faut être capable de stimuler ladite oscillation pendant sa période d'apparition. Cette durée, inférieure à 2,5 secondes, rend la tâche difficile. Un appareil précis et rapide est nécessaire, qui pourra s'adapter à d'autres applications. De plus, pour permettre des expériences à plus long terme et dans un environnement plus familier pour les sujets, à savoir chez eux, le système doit être portable. Enfin, pour permettre son utilisation par le plus grand nombre, le coût n'est pas à négliger. Il doit aussi être en libre accès pour tous. Aucun appareil ne répond actuellement à ces critères. C'est pour cela que ce projet de maîtrise existe. Pour concevoir le Portiloop : un appareil de stimulation en temps réel de l'activité cérébrale, à faible coût et portable. Trois étapes le composent : l'acquisition du signal EEG, la détection de l'oscillation et sa stimulation. La première et la troisième sont des fonctionnalités nécessaires de l'appareil, mais ne représentent pas une avancée scientifique. La deuxième a été étudiée par de nombreux chercheurs, avec différentes approches. Cependant, le critère temps-réel, ainsi que la volonté de précision et le coût du projet, réduit l'ensemble des solutions applicables. Pour répondre au mieux à toutes ces problématiques, le détecteur est un réseau de neurones artificiel (ANN) implémenté en circuit logique programmable (FPGA).

Abstract

Sleeping represents a third of our life, yet our knowledge of it is still limited. What really happens during this unconscious state ? Technological advances in the last century have led to major discoveries in this area with the development of electroencephalography and the first analyses of brain activity, in order to understand better brain state and cognitive functions. Certain waves, like sleep spindles, are known to play a role in the process of memory consolidation. However, a causal link has yet to be studied : will stimulation of the oscillation have an impact on this consolidation ? To answer this question, we must be able to stimulate sleep spindles during its onset period. This duration, less than 2.5 seconds, makes the task difficult. A precise and fast device is needed, and should be adaptable to other applications. Moreover, to allow long-term experiments in an environment more familiar to the subjects, i.e., at home, the system must be portable. Finally, to permit a global use of the device, the low cost is not to be neglected, nor its open access. No previous device meets these criteria. It is the reason why this thesis project exists. To create the Portiloop : a device capable of stimulating in real time the cerebral activity, at low cost and being portable. It is composed of three main functionalities : the acquisition and processing of the EEG signal, the detection of the pattern of interest and its stimulation. The first and third are necessary functions of the device, but do not represent a scientific breakthrough. The second one has been studied by many researchers, with different approaches. However, the real-time criterion, as well as the desire for precision and the low-cost of the project, limit the applicable solutions. To answer all these problems, the detector is an artificial neural network (ANN) implemented in programmable logic circuits (FPGA).