Théorie de la détection du signal
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Mémoire humaineRésultats récents, électrophysiologie & potentiels évoquésMaster <strong>de</strong> Psychologie (M1)Fabrice Guil<strong>la</strong>ume - année 2008-20091P<strong>la</strong>n :1. Une autre métho<strong>de</strong> expérimentale <strong>de</strong> dissociation <strong>de</strong>sprocessus : <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong> (TDS & ROC)2. Résultats récents : corré<strong>la</strong>ts neurophysiologiques <strong>de</strong>sprocessus <strong>de</strong> récupération en mémoire21
<strong>Théorie</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong>et caractéristiques d’opérations <strong>du</strong> récepteur(ROC et TDS)3BUT DE LA PSYCHOPHYSIQUESt1St1St1St1Etat mental <strong>du</strong> sujet:SNCAdaptationMémoireMotivationsProcessus cognitifsR (Réponse)PerceptionSt1Perception = f(St1, St2,…, Stn, Etat mental)42
<strong>Théorie</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong>(TDS)• Bases:– Le jugement <strong>de</strong> reconnaissance se base sur uncontinuum <strong>de</strong> récupération <strong>de</strong>s informations enmémoire– Les items nouveaux (distracteurs) peuvent être plusou moins familiers– Les items anciens sont eux aussi plus ou moinsfamiliers mais en général davantage que les itemsnouveaux (apprentissages précé<strong>de</strong>nts)– Les résultats <strong>de</strong>s participants révèlent donc uncritère sur le continuum <strong>de</strong> familiarité563
<strong>Théorie</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong>• La performance comme reflet d’une décision statistique.• Deux implications pour <strong>la</strong> perception comme pour <strong>la</strong>reconnaissance :ROC et TDS1. Discriminer le <strong>signal</strong> (stimulus ancien) <strong>du</strong> bruit (distracteur) ;2. Déci<strong>de</strong>r si le stimulus est le bon.Aussi appeler théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong>.7THEORIE DE LA DETECTION DU SIGNALSTIMULATIONSBRUITSIGNAL + bruitREPONSESOUINONFausse A<strong>la</strong>rmeFARejet correctReconnaissanceCorrecteRCOmissionNombre <strong>de</strong>présentations <strong>du</strong> stimulusBRUITNombre <strong>de</strong>présentations <strong>du</strong> stimulusSIGNAL + BRUIT84
How?Les ROCs répon<strong>de</strong>nt aux questions suivantes :1. Combien <strong>de</strong> stimuli correctement reconnus ?2. Combien <strong>de</strong> stimuli nouveaux faussement reconnuscomme anciens (FR) ?11EXEMPLE DE CALCULSOUIB (new)43Old + B540% <strong>de</strong> FA =43209= 20.6 %NON16685209 625% <strong>de</strong> RC =540= 86.4 %625126
La théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong>(TDS)• Permet <strong>de</strong> mesurer :– L’indice <strong>de</strong> Discriminabilité (d’ ou A’): mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong>facilité à discriminer entre les items anciens et lesitems nouveaux (force <strong>de</strong> <strong>la</strong> trace mnésique)– Le critère <strong>de</strong> décision (ß ou B”): reflète le critère adoptépar le sujet (i.e., pru<strong>de</strong>nce ou risque)– Ces <strong>de</strong>ux mesures sont comprises comme étantindépendantes l’une <strong>de</strong> l’autre.13CALCUL DU A’ ou (d ’) : discriminabilitéLe <strong>signal</strong> est très difficile à distinguer <strong>du</strong> bruit=> Les distributions sont voisines avec unrecouvrement importantLe <strong>signal</strong> est très différent <strong>du</strong> bruit=> Les distributions sont éloignées et leurrecouvrement est négligeable.B)A) d ’d ’147
Le critère <strong>de</strong> décisionCritère <strong>de</strong> décisiontrès lâcheUn peu plus strictTrès strict15Il est possible <strong>de</strong> donner une bonne réponse par hasard…performance corrigée :Nombre <strong>de</strong> bonnes réponses - Fausses reconnaissancesN.B. plus FR est élevé et plus <strong>la</strong> probabilité d’un choix correct peut être liée au hasardCas <strong>de</strong>s situations à choix multiples :le nombre <strong>de</strong> FR est pondéré par le nombre <strong>de</strong> choix proposésau sujet, <strong>la</strong> formule <strong>de</strong>vient alors :RC = BR - (FR/(n-1)) ou n = nombre <strong>de</strong> choixEx : si n=2, BR=10 et FR = 3 alors le score est <strong>de</strong> 7si n=4, BR=10 et FR = 3, le score est <strong>de</strong> 9168
17189
ROC et dissociation <strong>de</strong>s processusMétho<strong>de</strong> issue <strong>de</strong> <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>détection</strong> <strong>du</strong> <strong>signal</strong> (TDS)Nécessite <strong>la</strong> certitu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s participantsROC : fonction inférée qui relie le pourcentage cumulé <strong>de</strong>hits au pourcentage cumulé <strong>de</strong> fausses reconnaissancesF : ROC curvilinéaire et symétrique(e.g., Kelley & Wixted, 2001 ; Arndt &Re<strong>de</strong>r, 2002)R : ROC linéaire (C<strong>la</strong>rk, 1992 ; Hockley,1992 ; Humphreys, 1978 ; Yonelinas,1994)F + R : ROC curvilinéaire mais asymétrique19Exemple et mise en pratique…2010
Vous allez voir un arrangement120 pièces <strong>de</strong> Mahjong sur 8 ligneet 15 colonnes (A-O). Vos avez uneminute pour mémoriser les 12pièces <strong>de</strong> “vent”. Ce sont les seulespièces avec <strong>de</strong> <strong>la</strong>rge caractèrechinois (voir l’exemple à droite). Nedistinguez pas ces pièces,mémorisez simplement leur 12emp<strong>la</strong>cements. Essayez d’enmémoriser le plus possible.21Par exemple, dans le pré-test ci-<strong>de</strong>ssous, il y a 3pièces dites <strong>de</strong> “vent”; elles sont en C1, B3, etG3.2211
Vous <strong>de</strong>vez aussi fournir <strong>la</strong> certitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> votre réponsedans une <strong>de</strong>s 4 catégories ci-<strong>de</strong>ssous:1. Certains2. Moyennement certains3. Incertains4. IntuitionC’est parti…232412
Maintenant écrivez les 12 emp<strong>la</strong>cements comme vous vousen souvenez, puis indiquez votre niveau <strong>de</strong> certitu<strong>de</strong> (1-4).Utilisez <strong>la</strong> grille comme ci-<strong>de</strong>ssous.25Les réponses…2613
Voici les 12 emp<strong>la</strong>cements correct :A8 C7 D4 E1 E4 H8 I2 K3 L2 L5 L7 M4Dénombrer le nombre <strong>de</strong> réponses correctes et incorrectespar niveau <strong>de</strong> confi<strong>de</strong>nce et calculer le total.Exemple:27Pour les emp<strong>la</strong>cementscorrespondant à “certains”, 4emp<strong>la</strong>cements sont corrects.Comme il y 12 pièces au total, lescore pour cette certitu<strong>de</strong> est4/12 soit 33%.Cependant, un emp<strong>la</strong>cement est incorrect et il y a 108 piècesautres que les 12 pièces <strong>du</strong> “vent”, donc 0.9% <strong>de</strong> ces piècesautres que le vent ont été faussement reconnues (FR: faussesreconnaissances).2814
Dans notre exemple, il y a désormais 4+2=6 emp<strong>la</strong>cementscorrects, soit 50% <strong>de</strong> pièces correctement i<strong>de</strong>ntifiées (Hits). Maisaussi 1+1=2 emp<strong>la</strong>cements incorrects, soit 1.9% <strong>de</strong> faussesreconnaissances.Et ainsi <strong>de</strong> suite…La proportion <strong>de</strong> pièces <strong>du</strong> “vent” correctement reconnuesaugmente au fur et à mesure que <strong>la</strong> certitu<strong>de</strong> baisse, mais lesfausses reconnaissances aussi.29Nous calculons maintenant les pourcentages <strong>de</strong> hits et <strong>de</strong>fausses reconnaissances pour l’ensemble <strong>de</strong>s niveaux <strong>de</strong>certitu<strong>de</strong>.On obtient ainsi les courbes ROCs…3015
31Qu’est-ce que ça veut dire ?3216
Comment déterminer si le score est bon ou pas ? Unefaçon est <strong>de</strong> comparer le score avec celui <strong>de</strong> personnesn’ayant pas l’opportunité <strong>de</strong> mémoriser les emp<strong>la</strong>cements.Elles donneront donc <strong>de</strong>s réponses au hasard.Ca fera donc 12 pièces sur 120 au total :soit 10% <strong>de</strong>s pièces sont <strong>de</strong>s pièces <strong>du</strong> “vent”.Il y a 108 = 120 – 12 autres pièces :soit 90%.33Certaines <strong>de</strong> ces peronnes auront <strong>de</strong> <strong>la</strong> chance, d’autres pas.Si nous avons un effectif suffisant, nous pouvons moyenner lesscores :En moyenne, <strong>la</strong> loi <strong>de</strong>hasard pose queseulement 10% <strong>de</strong>semp<strong>la</strong>cements(12/120) <strong>de</strong>vrait êtrecorrects, et 90%incorrects (108/120).Pourcentages cumulés3417
Par conséquent, lespourcentages <strong>de</strong> pièceshits et <strong>de</strong> faussesreconnaissances sontles mêmes.Réponses au hasard35Vos scores sontdonc supérieursau hasard…3618
Très bonnes performancesPerformances moyennesHasard37• Radiology:Applications <strong>de</strong> <strong>la</strong> TDS– La précision excè<strong>de</strong> rarement 70%. Toutemétho<strong>de</strong> permettant d’estimer <strong>la</strong>discriminabilité est bienvenue. I<strong>de</strong>m IRMf.• Toute condition où un <strong>signal</strong> doit êtredétecté dans un bruit <strong>de</strong> fond• Décisions probabilistes3819
Patient sainPatient ma<strong>la</strong><strong>de</strong>False NegativesSeuilFalse PositivesNegative Testπ0.5An Overview of Contemporary ROC Methodology in Medical Imaging and Computer-Assist Modalities byRobert F. Wagner.39Courbe ROCIndicateurs <strong>de</strong> bonne santéLigne <strong>du</strong> hasardSkill to predict Y=1 correctlyIndicateurs <strong>de</strong> <strong>la</strong> ma<strong>la</strong>die4020
2. Corré<strong>la</strong>ts neurophysiologiques <strong>de</strong>sprocessus <strong>de</strong> récupération : recherchesactuelles41Régions cérébrales impliquées dans <strong>la</strong> récollection et <strong>la</strong> familiarité. Les régionsanatomiques marquées (R) sont interprétées, à travers les différentes recherches,comme <strong>de</strong>s substrats <strong>de</strong> <strong>la</strong> récollection, les régions marquées (F) comme <strong>de</strong>ssubstrats <strong>de</strong> <strong>la</strong> familiarité.4221
Comme les champs magnétiques, les champs électriques sont générés parl’activation synchronisée <strong>de</strong>s réseaux <strong>de</strong> neurones corticaux.43Principe : Enregistrements directs et en temps réel <strong>de</strong>s signauxélectriques émis par <strong>de</strong>s réseaux <strong>de</strong> neurones activés au cours d’unetâche particulière.Comment sont pro<strong>du</strong>its les champs détectés par ces systèmes ?Signal EEG : activité <strong>de</strong> 100 000 à un million <strong>de</strong> neurones activés en mêmetemps, concentrés dans quelques millimètres cubes <strong>de</strong> cortex que l'on nommemacrocolonne.4422
47Contenu <strong>du</strong> <strong>signal</strong> EEG4824
49Oscil<strong>la</strong>tions <strong>de</strong> l’EEG = Somme <strong>de</strong> différentes oscil<strong>la</strong>tionspro<strong>du</strong>ites par différentes assembléesneuronales (« harmoniques »).Deux caractéristiques : Fréquence d’oscil<strong>la</strong>tion et Amplitu<strong>de</strong>.Entre 0,25 et 1500 Hz(oscil<strong>la</strong>tions par secon<strong>de</strong>)éveil, sommeil, vigi<strong>la</strong>nce, rêve…Entre - 150 et + 150 µV5025
Les différentes fréquencesElles s’apparentent à différentes fonctions, on distingue ainsiles on<strong>de</strong>s :DELTA: 30-35 hz (pourrait être relié à <strong>la</strong> conscience, c’est-à-direle lien entre différentes régions cérébrales pour former un concept cohérent).51Avantage <strong>de</strong> l’EEG :• L’EEG offre une excellente résolution temporelle et uncoût moins élevé que l’IRMf ou le PET scan ;• Métho<strong>de</strong> non invasiveInconvénient :Pauvreté <strong>de</strong> <strong>la</strong> résolution spatiale (problème inverse)Utilisation <strong>de</strong> l’EEG :Diagnostic <strong>de</strong>s foyers épileptiques, tumeurs cérébrales,lésions, caillots, etc ;• Problème <strong>de</strong> somnolence et <strong>de</strong> sommeil• Recherche (Potentiels évoqués, coup<strong>la</strong>ge fonctionnel, etc.).5226
Activité EEG évoquée par un événementPoint <strong>de</strong> fixationÉvénement53Localisation <strong>de</strong>s sources : résolution <strong>du</strong> problème inverse :5427
Comment distinguer les sites activés par <strong>la</strong> tâche <strong>de</strong>s sitesactivés par d'autres activités ?Technique <strong>de</strong> moyennage <strong>de</strong>s tracés : en additionnant les tracés obtenus lors <strong>de</strong><strong>la</strong> répétition d'un même stimulus dans <strong>la</strong> même tâche, on fait ressortir lescomposantes spécifiques, qualifiées <strong>de</strong> Potentiels évoquées.55Dynamique <strong>de</strong>s réseaux cérébrauxSynchronisation d’activités <strong>de</strong> fréquenceCohérence5628
Corré<strong>la</strong>ts neurophysiologiques <strong>de</strong> <strong>la</strong> mémoire épisodique :l’effet Ancien/Nouveau575829
63Rôle <strong>du</strong> cortex préfrontal dans l’évocation6432
Corré<strong>la</strong>ts métabolique <strong>de</strong> <strong>la</strong> récupération :rôle <strong>du</strong> lobe frontal656633
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71Récollection : unité ou pluralité ?Interdomaine“Pierre”MultimodaleAssociation / Intégration(“Prairie”...)(“Pierre” ...)7236
73Effet Ancien/Nouveau inversé :hétérogèneïté neurophysiologique <strong>de</strong> <strong>la</strong> récollection7437