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Investigation mathématique en dynamique des neurosciences pour l'identification, la commande, l'estimation et l'observation des modèles de méditation – MindMadeClear

MindMadeClear

Mathematical Investigation of Neuroscience Dynamics for Meditative Model Identification, Control, Estimation And Observation

Modéliser, étudier les propriétés structurelles, élaborer des estimateurs

L'objectif général de ce projet est triple. Premièrement, élaborer des modèles dynamiques quantitatifs simple mais représentatifs pour les neurosciences contemplatives. Ces dernières visent à découvrir les effets à court et moyen terme ainsi que les mécanismes sous-jacents à l'entrainement de l'esprit (la définition classique de la méditation). Les modèles que nous nous proposons de construire sont des modèles de population, c'est-à-dire des modèles qui représentent l'activité cérébrale au niveau mésoscopique, et qui sont bien adaptés pour l'estimation et l'analyse mathématique. Ces modèles seront assez simples pour être étudiés analytiquement, mais aussi représentatifs par rapport aux objectifs visés. <br />Deuxièmement, étudier les propriétés structurelles de ces modèles, fournissant une compréhension approfondie de ces derniers. Nous utiliserons des outils appartenant à la théorie des systèmes. <br />Troisièmement, élaborer des estimateurs et des observateurs de quantités non mesurables, qui seront d'intérêt pour le praticien. <br />Les trois verrous scientifiques abordés sont les suivants. Tout d'abord, pour les réseaux d'oscillateurs, l'étude de l'interaction entre leurs propriétés structurelles et le graphe sous jacent. Deuxièmement, développer des modèles d'attention focalisée (impliquant une focalisation soutenue de l'attention sur un objet déterminé) et de conscience ouverture (impliquant un suivi non réactif du contenu de l'expérience d'instant en instant). Les modèles que nous développerons seront quantitatifs (par exemple, régis par des équations différentielles ordinaires et aux derivées partielles), alors que la littérature sur la modélisation des neurosciences contemplatives reste quasi-exclusivement qualitative. Et troisièmement, développer des outils quantitatifs pour caractériser le couplage inter fréquences, et plus spécifiquement le couplage phase-amplitude.

Pour chacun des modèles élaborés, nous suivrons les étapes suivantes :
- Élaboration d'un modèle à paramètres concentrés ou distribués, au moyen d'équations différentielles non linéaires ou d'équations aux dérivées partielles linéaires, avec des retards le cas échéant.
- Identification du modèle, à l'aide notamment de techniques algébriques.
- Etude de ses propriétés dynamiques (stabilité, structure de l'espace de phase).
- Etude de ses propriétés structurelles (platitude et liberté différentielle) et élaboration de lois de commande de suivi de trajectoire émulant un processus méditatif.
- Elaboration d'estimateurs du calme mental, basés sur diverses mesures et sur les modèles élaborés.

I - Au sein de la tâche 1 (cadre expérimental)
Une étude a été menée au CRNL mêlant rivalité binoculaire et affordance, faisant l’objet du postdoctorat de Sucharit Kaytal. La rivalité binoculaire est l’alternance de deux percepts lorsque deux images très différentes sont projetées, une sur chaque oeil ; ce phénomène permet d’avoir accès à des mécanismes bas niveau de la conscience. La méditation de présence ouverte est un moyen d’éviter la saisie de contenus mentaux. Il a été trouvé que l’effet d’affordance (haute par rapport à basse) s’inverse en méditation de présence ouverte pour les méditants experts (et non pour les novices). Les rythmes neuraux mu suivent l’effet d’affordance comportemental.
Une étude réduite a été menée au L2S sur un protocole avec deux phases : une de méditation de comptage de respirations (de 10min) suivant une tâche cognitive de calcul mental/résolution d’énigme (8min). Des mesures EEG ont été, entre autres, utilisées. Un mélange des bandes de fréquences a été réalisé par l’utilisation de forets aléatoires. La précision de classification est d’un peu plus de 90%.

II - Au sein de la tâche 2 (modélisation)
Du point de vue modélisation, trois pistes en début de développement sont envisagées :
1. Elaboration d'un modèle phénoménologique de formes de méditation d'attention focalisée et de présence ouverte. Ce modèle sera fondé sur le ressenti des méditants. La liaison possible avec certains modèles de type physiologique simplifiés sera étudiée.
2. Elaboration d'un modèle cardiorespiratoire, investigation de la synchronisation entre les systèmes respiratoire et cardiaque, entre les système cardiaque et le système nerveux central en méditation. Etude de cohérence cardiaque et de variabilité du rythme cardiaque en méditation.
3. Investigation de modèles exhibant des phénomènes de criticalité auto-organisée. Ce phénomène semble être d’importance dans nombre de processus mis en jeu en neurosciences.

* Elaboration, simulation et identification de modèles des trois classes suivantes : modèles phénoménologique de formes de méditation d'attention focalisée et de présence ouverte ; modèles cardiorespiratoire ; modèles exhibant des phénomènes de criticalité auto-organisée.
* Liaison entre les modèles phénoménologique et certains modèles de type physiologique simplifiés.
* Etude de la synchronisation entre les systèmes respiratoire et cardiaque, entre les système cardiaque et le système nerveux central en méditation.
* Etude de cohérence cardiaque et de variabilité du rythme cardiaque en méditation.

* Revues à comité de lecture : Antoine Lutz, Jérémie Mattout, Giuseppe Pagnoni, The epistemic and pragmatic value of non-action: a predictive coding perspective on meditation, Current Opinion in Psychology, Volume 28, 2019, Pages 166-171, doi.org/10.1016/j.copsyc.2018.12.019.
* Communication de conférence internationale : Why BCIs work poorly with the patients who need them the most? P. Séguin, E. Maby, J. Mattout, European BCI conference, Graz, 2019.

L'objectif général de ce projet est triple. Premièrement, élaborer des modèles dynamiques quantitatifs simple mais représentatifs pour les neurosciences contemplatives. Ces dernières visent à découvrir les effets à court et moyen terme ainsi que les mécanismes sous-jacents à l'entrainement de l'esprit (la définition classique de la méditation). Les modèles que nous nous proposons de construire sont des modèles de population, c'est-à-dire des modèles qui représentent l'activité cérébrale au niveau mésoscopique, et qui sont bien adaptés pour l'estimation et l'analyse mathématique. Ces modèles seront assez simples pour être étudiés analytiquement, mais aussi représentatifs par rapport aux objectifs visés. Deuxièmement, étudier les propriétés structurelles de ces modèles, fournissant une compréhension approfondie de ces derniers. Nous utiliserons des outils appartenant à la théorie des systèmes. Troisièmement, élaborer des estimateurs et des observateurs de quantités non mesurables, qui seront d'intérêt pour le praticien.
Les trois verrous scientifiques abordés sont les suivants. Tout d'abord, pour les réseaux d'oscillateurs, l'étude de l'interaction entre leurs propriétés structurelles et le graphe sous jacent. Deuxièmement, développer des modèles d'attention focalisée (impliquant une focalisation soutenue de l'attention sur un objet déterminé) et de conscience ouverture (impliquant un suivi non réactif du contenu de l'expérience d'instant en instant, envisagé principalement comme un moyen de reconnaître la nature des phénomènes émotionnels et cognitifs).
Les modèles que nous développerons seront quantitatifs (par exemple, régis par des équations différentielles ordinaires et aux derivées partielles), alors que la littérature sur la modélisation des neurosciences contemplatives reste quasi-exclusivement qualitative. Et troisièmement, développer des outils quantitatifs pour caractériser le couplage inter fréquences, et plus spécifiquement le couplage phase-amplitude.
Le programme de travail comporte quatre tâches. La première est le cadre expérimental, afin d'obtenir des données comportementales et neurophysiologiques à partir de processus de méditation ; la seconde est l'élaboration de modèles dynamiques ; la troisième est l'analyse des propriétés structurelles de ces derniers modèles ; la dernière est l'estimation et la synthèse des observateurs.
Les résultats escomptés sont une compréhension approfondie des processus méditatifs, la possibilité de reconstruire à partir de mesures simples et non invasives certains indicateurs de la stabilité mentale du méditant. L'utilisateur peut ensuite être guidé et peut voir ses progrès quantitativement dans le temps ; ceci peut devenir une source de motivation pour le méditant ou peut être utilisé pour une interface cerveau-humain, en tant qu'outil technologique. Dans le cas d'un patient, l'équipe médicale qui l'entoure peut également avoir un retour quantitatif de l'état du patient et de son évolution.

Coordinateur du projet

Monsieur Hugues Mounier (Laboratoire des Signaux et Systèmes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

L2S Laboratoire des Signaux et Systèmes
CRNL -Unité Inserm 1028 Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon - UMR 5292 et UMRS 1028
CRAN Centre de recherche en automatique de Nancy
Theoretical Cognitive Neuroscience Lab

Aide de l'ANR 482 976 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 48 Mois

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