Hybridizing 3-dimensional multiple object tracking with neurofeedback to enhance preparation, performance, and learning

Le vaste domaine de l’amélioration cognitive traverse les applications comportementales, biochimiques et physiques. Aussi nombreuses sont les techniques que les limites de ces premières : des études de pauvre méthodologie, des pratiques éthiquement ambiguës, de faibles effets positifs, des effets secondaires significatifs, des couts financiers importants, un investissement de temps significatif, une accessibilité inégale, et encore un manque de transfert. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode novatrice d’intégration de l’une de ces techniques, le neurofeedback, directement dans un paradigme d’apprentissage afin d’améliorer la performance cognitive et l’apprentissage.  Cette thèse propose les modalités, les fondements empiriques et des données à l’appui de ce paradigme efficace d’apprentissage ‘bouclé’. En manipulant la difficulté dans une tâche en fonction de l’activité cérébrale en temps réel, il est démontré que dans un paradigme d’apprentissage traditionnel (3-dimentional multiple object tracking), la vitesse et le degré d’apprentissage peuvent être améliorés de manière significative lorsque comparés au paradigme traditionnel ou encore à un groupe de contrôle actif. La performance améliorée demeure observée même avec un retrait du signal de rétroaction, ce qui suggère que les effets de l’entrainement amélioré sont consolidés et ne dépendent pas d’une rétroaction continue.  Ensuite, cette thèse révèle comment de tels effets se produisent, en examinant les corrélés neuronaux des états de préparation et de performance à travers les conditions d’état de base et pendant la tâche, de plus qu’en fonction du résultat (réussite/échec) et de la difficulté (basse/moyenne/haute vitesse). La préparation, la performance et la charge cognitive sont mesurées via des liens robustement établis dans un contexte d’activité cérébrale fonctionnelle mesurée par l’électroencéphalographie quantitative. Il est démontré que l’ajout d’une assistance- à-la-tâche apportée par la fréquence alpha dominante est non seulement appropriée aux conditions de ce paradigme, mais influence la charge cognitive afin de favoriser un maintien du sujet dans sa zone de développement proximale, ce qui facilite l’apprentissage et améliore la performance.  Ce type de paradigme d’apprentissage peut contribuer à surmonter, au minimum, un des limites fondamentales du neurofeedback et des autres techniques d’amélioration cognitive : le manque de transfert, en utilisant une méthode pouvant être intégrée directement dans le contexte dans lequel l’amélioration de la performance est souhaitée. The domain of cognitive enhancement is vast, spanning behavioral, biochemical and physical applications. The techniques are as numerous as are the limitations: poorly conducted studies, ethically ambiguous practices, limited positive effects, significant side-effects, high financial costs, significant time investment, unequal accessibility, and lack of transfer. The purpose of this thesis is to propose a novel way of integrating one of these techniques, neurofeedback, directly into a learning context in order to enhance cognitive performance and learning.  This thesis provides the framework, empirical foundations, and supporting evidence for a highly efficient ‘closed-loop’ learning paradigm. By manipulating task difficulty based on a measure of cognitive load within a classic learning scenario (3-dimentional multiple object tracking) using real-time brain activity, results demonstrate that over 10 sessions, speed and degree of learning can be substantially improved compared with a classic learning system or an active sham-control group. Superior performance persists even once the feedback signal is removed, which suggests that the effects of enhanced training are consolidated and do not rely on continued feedback.  Next, this thesis examines how these effects occur, exploring the neural correlates of the states of preparedness and performance across baseline and task conditions, further examining correlates related to trial results (correct/incorrect) and task difficulty (slow/medium/fast speeds). Cognitive preparedness, performance and load are measured using well-established relationships between real-time quantified brain activity as measured by quantitative electroencephalography. It is shown that the addition of neurofeedback-based task assistance based on peak alpha frequency is appropriate to task conditions and manages to influence cognitive load, keeping the subject in the zone of proximal development more often, facilitating learning and improving performance.  This type of learning paradigm could contribute to overcoming at least one of the fundamental limitations of neurofeedback and other cognitive enhancement techniques : a lack of observable transfer effects, by utilizing a method that can be directly integrated into the context in which improved performance is sought.

Keyphrases: Neurofeedback, Amélioration cognitive, Groupe de contrôle actif, Préparation, Performance, Apprentissage, Neurofeedback, Interface cerveau-machine, Performance, Brain-computer interface, Cognitive enhancement, Active-sham, Learning