Cahiers d'études ONSER du numéro 1 à 66 (1962-1985) - Récapitulatif. : - TARRIERE (C), HARTEMANN (F), NIARFEIX (M) - Corrélations entre données de vigilance opérationnelle et physiologique.

De
Goldberg (S), Gazeres (Jc), Plantevin (C), Duflot (P), Michaut (G), Hoffmann (F), Tarriere (C), Chapoux (E), Pottier (M), Le Guen (H), Lucet (M), Leygue (F), Hartemann (F), Pin (Mc), Niarfeix (M), Giscard (Ph), Villaret (Jm), Matalon (B), Simonnet (M), Srour (D), Debre (R), Wisner (A), Leroy (J), Bandet (J), Monseur (M), Malaterre (G), Crespy (G), Berlioz (C), Baylatry (B), Filou (C), Biecheler (Mb), Remond (Mc), Moukhwas (D), Simonet (M), Fleury (D), L'hoste (J), Cambois (Ma), Fontaine (H), Tetard (C), Averous (B), Dejeammes (M), Lecret (F), Labadie (Mj), Neboit (M). Arcueil. http://temis.documentation.developpement-durable.gouv.fr/document.xsp?id=Temis-0048736
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ORGANISME
NATIONAL DE
SÉCURITÉ
ROUTIÈRE
CORRÉLATIONS
ENTRE DONNÉES
DE VIGILANCE
OPÉRATIONNELLE
ET PHYSIOLOGIQUE
cahiers d'études no 5
Bulletin «° 16
Août 1966
GDAT
15062RECHERCHE DE CORRÉLATIONS ENTRE DONNÉES DE VIGILANCE
OPÉRATIONNELLE ET PHYSIOLOGIQUE
L'électroencéphalographie comme source d'informations sur l'évolution
de l'efficience du conducteur
C. TARRIÈRE
F. HARTEMANN
M. NIARFEIX
L'étude dont on va lire un compte rendu de synthèse a été exécutée au Laboratoire de Physiologie et de Biomécanique de la Régie
Nationale des Usines Renault pour le compte de l'O.N.S.E.K.
RÉSUMÉ
Jusqu'à quel point le degré d'efficacité de sujets effectuant une tâche de surveillance analogue à
la conduite automobile monotone est-il lié au niveau d'activation de leur système nerveux central
et sous quels aspects l'électrc-encéphalographie constitue-t-elle une technique appropriée pour
mesurer le niveau d'activation et pour en suivre les fluctuations au cours d'une durée prolongée?
Telles sont les questions auxquelles cette étude vise à répondre.
L'exploitation des tracés E.E.G. recueillis sur 126 sujets soumis à une tâche de surveillance visuelle
de deux heures et demie est essentiellement centrée sur l'analyse des rythmes alpha; les rythmes
plus lents étant extrêmement rares. On vérifie, en une première étape, que l'E.E.G. est sensible
aux effets d'un facteur tel que le tabac, dont on avait antérieurement constaté qu'il élevait le niveau
d'activation des sujets, par rapport au niveau qu'ils présentaient lorsqu'ils effectuaient la tâche
sans fumer depuis la veille de l'expérience. Or l'E.E.G. rend bien compte de cette différence ; privés
de tabac, les sujets présentent, pendant toute la durée de l'épreuve, des tracés ou la densité de l'alpha
est plus forte que lorsque les sujets fument; l'amplitude de l'alpha est également plus grande, la
fréquence (en cycles-seconde) est moins élevée.
Dans une seconde phase, on met en relation les informations données par l'E.E.G. et les perfor-
mances accomplies par les sujets à la tâche de surveillance. On remarque que les sujets dont la
densité des tracés en alpha est la plus forte ont une performance inférieure aux autres. De même,
au cours du déroulement de la tâche, la probabilité de détection d'un signal diminue s'il survient
en concomitance avec une bouffée d'alpha.
Si on analyse plus en détail cette relation entre E.E.G. et performance, on remarque que celle-ci
est en corrélation assez bonne (.37) avec l'amplitude de l'alpha. La densité des rythmes alpha et
leur fréquence en cycles par seconde n'a pas pu faire l'objet de calculs des corrélations équivalentes.
D'une part, les mesures de densité telles que nous les avons effectuées sont moins précises que les
mesures d'ampiitude. D'autre part, l'absence de corrélation entre la performance et la fréquence
de l'alpha en cycles par seconde ne signifie pas pour autant que ce dernier indice n'est pas un cri-
tère sensible du niveau d'activation. Ce n'est pas la fréquence absolue qui caractérise le degré
d'activation des sujets (la fréquence est une caractéristique individuelle pouvant prendre selon les
sujets une valeur de 8 à 12 c/s) mais la variation de cette fréquence pour chaque sujet correspond
à une variation d'activation.
S'il existe une cohérence globale entre les indices d'activation et s'il existe une certaine liaison
entre le degré d'élévation du niveau d'activation et l'efficacité de la surveillance exercée, leur inter-
corrélation n'est cependant pas très étroite et ceci indique que le niveau de vigilance physiologique
n'est pas le seul facteur à conditionner l'efficacité de la surveillance. Ceci est confirmé par le fait
que la supériorité de la performance réalisée par les sujets « introvertis » sur les « extravertis »
ne s'accompagne pas d'une différence de niveau d'activation qui soit discernable par l'E.E.G.
C'est probablement à des différences d'orientation de l'attention qu'il faut faire appel pour expliquer
ce qui échappe au critère de l'activation. C'est-à-dire que les variations d'efficacité de la surveil-
lance, à niveau constant d'activation, sont sans doute la conséquence de changements d'orientation
de l'attention qui se porte, à une fréquence et pendant des durées variables, vers des stimuli autres
que les signaux à détecter.
— 3SUMMARY
This study aims to answer the following questions :
T(» vvhat degree is the efflciency of subjects carrying out a vigilance task analogous to the
monotonous driving of an automobile in connection vvith the activation level of their central
nervous System and under what aspects would electro-encephalography eonstitute an appro-
priate technique of measuring the activation level and of following its fluctuations for a
prolongea period.
The utilisation of E.E. graphs received from 126 subjects submitted to a visual vigilance
task for two and a half hours is essentially centred on the analysis of alpha rythms, slower
rythms being extremely rare. During the first stage, the sensitiveness of E.E.G. to the effects
of a factor such as tobacco, which was previously found to raise the activation level of the
subjects in comparison with the level they had when doing this task without having smoked
since the day before the experiment. In fact, the E.E.G. clearly indicates the following
différence: the graphs of the subjects deprived of tobacco show during the whole time of the
test higher alpha density than when the subjects smoke; the alpha amplitude is also greater
and the frequency (in cycles/second) is lower.
During the second stage, the information given by the E.E.G. is comparée! with the perfor-
mances carried out by the subjects in their vigilance task. It is noticeable that the subjects
having the denser alpha graphs hâve a performance which is inferior to that of the others.
Similarly, in the course of the carrying out of the task, the probability of detecting a signal
decreases, if it arrives eoncomitantly with a flow of alpha.
If a more detailed analysis is given of the connection between the E.E.G. and the performance,
it is noticed that the latter is in fairly good corrélation (.37) with the alpha amplitude.
The density of alpha rythms and their frequency in cycles per second were not calculated
for équivalent corrélations, because, on one hand, measures of density such as we had carried
them out are less précise than measures of amplitude, on the other hand, the absence of
corrélation between the performance and the alpha frequency in cycles per second does not
in any way mean that this last indication is not a sensitive criterion of the activation
level. It is not the absolute frequency which characterises the degree of activation of the
subjects (the frequency is an individual spécification which can hâve, according to the subject,
a value of 8 to 12 cycles/second), but a variation of this frequency for each individual subject
corresponds to a variation of activation.
If there does exist a total cohérence between the activation indexes and if a certain connection
does exist between the degree of élévation of then level and the efficiency of the
vigilance carried out, the corrélation between them is not however very close and this indi-
cates that the level of physiological vigilance is not the only factor to govern the efficiency
of the vigilance. This is eonfirmed by the faet that the superiority of the performance
realised by "introverted" subjects over those who are "extraverted" is not accompanied by
a différence of the activation level which can be appreciated by the E.E.G.
What remains unexplained by the activation criterion is probably to be fourni in différences
in the focusing of the attention, that is to say that the variations in efficiency of the vigilance
at a constant level of activation are doubtless the conséquences of changes in the focusing
of the attention, which is drawn at varying frequencies and for various lengths of time to
other attractive points than the signais to be detected.TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION 7
I. — GÉNÉRALITÉS 9
1. — Insuffisance des seuls critères opérationnels 9
2. — Arguments en faveur de la théorie de l'activation 10
II. — RAPPEL DE L'EXPÉRIENCE 13
III. — RÉSULTATS4
1. — Observations générales sur les tracés obtenus en situation de
conduite monotone4
2. — Valeur de l'E.E.G. comme critère d'efficience du conducteur 18
3. — Degrés de cohérence des critères physiologiques entre eux et avec
la performance 26
IV. — DISCUSSION6
1. — Variétés des signes électroencéphalographiques rencontrés en simu-
lation de conduite monotone6
2. — Rapidité des fluctuations de l'état vigile 27
3. — Signification fonctionnelle de l'alpha8
4. — Intérêt et limites de l'activation comme critère d'efficience 30
CONCLUSIONS GÉNÉRALES 33
BIBLIOGRAPHIE5INTRODUCTION
Le développement des recherches dans le domaine de la vigilance a conduit à distinguer une notion de vigilance
opérationnelle, appréciée par la performance des sujets à une tâche monotone, et une notion de vigilance physio-
logique ou neurophysiologique qui exprime un certain état de l'organisme des sujets, hors de toute référence à
l'efficience dont ils font preuve; état dont les fluctations sont mesurées à l'aide d'enregistrements essentiellement
bioélectriques.
Jusqu'à présent les rapprochements entre vigilance opérationnelle et vigilance physiologique ont été surtout théo-
riques, d'autant plus spéculatifs que les données neurophysiologiques de référence ont été le plus souvent obtenues
chez l'animal. Cependant, parmi les hypothèses explicatives présentées par les psychologues pour rendre compte
de la dégradation de la performance au cours du temps dans les tâches de surveillance, l'hypothèse de l'activation
a souvent été évoquée (DEESE 1955, BROADBENT 1963). Selon cette dernière, l'activité générale de l'organisme
dépendrait du niveau de stimulation dont il est l'objet. Se référant aux récents développements de la neurophysio-
logie et aux expériences de privation sensorielle (BEXTON, HERON et SCOTT 1954; HERON 1961), ces auteurs
suggèrent que les situations monotones favorisent la désactivation de l'organisme par la rareté et le manque de
variété des stimulations. Cette hypothèse s'accorde bien avec ce que l'on sait de l'influence de certaines caracté-
ristiques des signaux : la dégradation de l'efficience au cours du temps est en effet d'autant plus accusée que les
signaux sont plus rares et moins intenses.
Si nous essayons d'expliquer la survenue de telles « désactivations » du système nerveux en nous référant aux bases
néurophysiologiques connues de la régulation de l'état vigile, on préjuge du support physiologique des processus
de vigilance et d'attention. En fait, on donne alors au terme « vigilance » une acception qui l'apparente au niveau
d'éveil généralisé de l'organisme. L'état de vigilance est alors assimilé à un état fonctionnel permettant les activités
nerveuses perceptuelles, motrices et intégratrices avec toutes qualités de plasticité que suppose la finesse des discri-
minations et des adaptations.
Une expérience attribuée à FLUSTER pose assez bien le problème des rapports entre la vigilance opérationnelle
et la vigilance cérébrale. Elle est réalisée sur des singes « chroniques », c'est-à-dire porteurs d'électrodes implantées
à demeure dans différentes structures cérébrales et conditionnés à reconnaître des images tachytoscopiques.
L'auteur montre qu'une stimulation électrique effectuée dans des conditions physiologiques (voltage, fréquence et
durée des stimulations) de certains noyaux réticulaires du tronc cérébral diminue la durée des temps de reconnais-
sance des formes présentées au singe. Ainsi une augmentation du niveau d'éveil cérébral améliore la qualité du
travail mental. BREMER (1962, conférence non publiée), qui rapporte cette expérience, en rapproche le résultat
du fait que l'avertissement de la présentation d'un signal (mise en alerte) diminue, chez l'homme, la durée des
temps de réaction.
De la même façon, on peut par stimulation électrique directe d'un même noyau cellulaire, et en fonction des carac-
téristiques de la stimulation, obtenir tous les stades électriques de l'éveil au sommeil profond (CASPERS 1954 chez
le rat).
En fait, bien que la tentation soit grande, il n'est pas possible de confondre les mécanismes des modifications d'effi-
cience dans les tâches mobilisant l'attention continue des sujets, avec les mécanismes de la régulation de l'état vigile.
Ce serait simplifier grossièrement la nature des processus mis en jeu dans les tâches de vigilance que de les réduire
à un modèle, aussi raffiné soit-il, de l'activité cérébrale. Cependant, de tels modèles existent (BREMER 1954;
HUGELIN et BONVALLET 1957; JOUVET et Coll. 1957, 1958, 1959, 1960), et il est tout aussi impossible de les
ignorer.
Est-on alors condamné à juxtaposer plus ou moins artificiellement deux chapitres — vigilance cérébrale et vigilance
opérationnelle — comme l'un de nous le fit dans sa thèse (TARRIERE 1960) ou bien ne doit-on pas plutôt tenter
d'établir quelques connexions en utilisant les informations sans doute limitées mais précieuses de l'électro-encépha-
lographie pour évaluer le niveau d'activité global du système nerveux?
De telles connexions commencent à s'établir. HA1DER (1963) montre que la fréquence de l'EEG (dans la gamme
de fréquence inférieure à 12 Hz) pour les trois secondes qui précèdent la survenue d'un signal est significativement
plus ralentie quand ce signal n'est pas détecté (signaux détectés : 8,9 Hz; signaux non détectés : 5,6 Hz). Une cor-
rélation de— .41 est observée entre la fréquence de Pélectro-encéphalogramme mesurée dans la seconde qui pré-
cède la survenue du signal et le temps de réaction du sujet.
7HAIDER, SPONG et LINDSLEY (1964) intégrant les potentiels évoqués * à des stimulivisuels (flashslumineux)
mettent en évidence une forte corrélation entre le pourcentage de signaux détectés et l'amplitude des potentiels
évoqués (+ . 75), ou leur latence (—. 75).
Pour les signaux critiques (auxquels les sujeis doivent répondre), l'amplitude des potentiels évoqués intégrée pour
un nombre égal de signaux détectés et non détectés est également très différente, très nettement diminuée pour les
signaux non détectés.
SPONG, HAIDER, LINDSLEY (1965) montrent encore que les potentiels évoqués visuels sont plus importants
que les potentiels évoqués auditifs (et réciproquement) selon que l'attention est orientée vers la stimulation visuelle
ou auditive.
Ces corrélations relatives à l'activité cérébrale permettent d'attribuer une signification plus précise aux relations
observées entre la vigilance opérationnelle et diverses évaluations du niveau d'activation générale de l'organisme
(fréquence cardiaque et conductance cutanée plus particulièrement).
Ainsi les données physiologiques déjà disponibles ne permettent guère de douter de la dépendance existant entre
la vigilance opérationnelle et la vigilance cérébrale. Cependant cette dépendance n'est que relative, c'est-à-dire que
le seul niveau d'activation ne suffit pas à permettre la prédiction de la performance. Ainsi, à niveau d'activation
égal, on peut penser que la possibilité de disperser son attention (distraction) affecte grandement la performance.
Les différences interindividuelles dont la cause la plus importante est probablement le degré d'introversion des
sujets sont si importantes qu'il est peu probable qu'elles se confondent uniquement avec des différences d'activation
du système nerveux central.
Ce sont donc en quelque sorte les limites de validation de cette théorie qu'il convient de préciser. C'est l'objet
principal assigné à la présente étude.
Dans les perspectives appliquées qui sont les nôtres, l'objectif n'est pas seulement d'ordre spéculatif. Mieux préciser
les mécanismes enjeu, expliciter les modalités d'intervention des facteurs qui influencent la vigilance, c'est se donner
des chances supplémentaires d'assurer une prévention plus efficace des défaillances humaines et des accidents dont
elles sont la cause.
(i) On appelle potentiel évoqué l'enregistrement électrique du message nerveux lors de son arrivée en un endroit déterminé du système
nerveux ; il s'agit ici de potentiels évoqués enregistrés au niveau du cortex visuel.I. - GÉNÉRALITÉS
A - 9 sujets introvertis TAROIERE
B • 7 sujets extravertis et HARTEMANN
1.,- INSUFFISANCE DES SEULS CRITÈRES C - 14 suiets TARRIERE et WISNER 1962
OPÉRATIONNELS
L'évolution du niveau de vigilance au cours de tâches
longues et monotones exigeant la détection de signaux
faibles, peu fréquents et de localisation aléatoire dans
l'espace et le temps, a été surtout analysée par l'évo-
lution de la performance moyenne d'un échantillon
de sujets soumis à ces tâches en laboratoire.
120 150
FIG. 2. — Évolution delà vigilance pendant des épreuves
très prolongées.
C est donnée comme référence d'épreuve
de plus courte durée.
effet que la dégradation est progressive, qu'elle
commence dès les premières minutes de la tâche de
surveillance et qu'elle s'étend sur une période plus
ou moins longue (fig. 3).
10-
90 120 150 mn60
FIG. I. — Courbes provenant de différents Laboratoires
i et illustrant la dégradation de la performance
au cours d'épreuves de vigilance
40-
Le résultat le plus souvent retrouvé (fig. 1) est une
dégradation du niveau de vigilance survenant entre
re e
la l et la 2 demi-heure de travail et suivie d'une
stabilisation au cours des demi-heures suivantes
(MACKWORTH 1950, JENKINS 1953, JERISON
et WALL1S 1957, TARR1ERE ET WISNER 1960),
stabilisation que des expériences de plus longue durée
70-semblent d'ailleurs remettre en question (TARRIERE
et HARTEMANN 1965) (fig. 2).
'0 50 60
Nombre de signauxEn fait, cette évolution de l'efficience n'est pas aussi
FIG. 3. — Analyse détaillée de l'évolution de la vigilance.schématique que les courbes classiques la font appa-
Jerison et Wallis 1957
raître (fig. 1); JERISON (1957, 1958) montre en (données correspondant à la courbe de ces auteurs figure I).
ûAvant qu'il ne soit procédé à l'enregistrement deL'évolution moyenne ainsi décrite est influencée
l'électro encéphalogramme, de nombreux auteurs ontpar de nombreux facteurs : durée prévue de l'épreuve
(JERISON 1958), caractéristiques des signaux et cherché une aide dans l'enregistrement de variables
de la tâche (LEPLAT 1962 présente une revue de physiologiques plus faciles à mettre en œuvre ou
à exploiter : fréquence de clignements des paupièresces facteurs), période de la journée (JENKINS 1958,
(CARPENTER 1948), motilité spontanée des sujetsTARRIERE et WISNER 1962), environnement
(BAKER 1958), résistance électrique cutanée (ROSSsonore (JERISON 1959, BROADBENT 1953, 1957,E et WISNER 1962 et 1964), influence et Coll. 1959; PERRET 1964), fréquence cardiaque
de drogues : amphétamines (MACKWORTH 1950), (K1RIHARA 1961; HAIDER 1963; PERRET 1964;
TARRIERE et HARTEMANN 1965; ANGIBOUSTcaféine (BAUMST1MLER et Coll. 1963), tabac
1965 M1CHAUT, 1964).(TARRIERE et HARTEMANN 1965).
Pour la majorité de ces chercheurs, l'enregistrementL'interprétation des performances réalisées en pré-
des variables physiologiques présentait de plus l'intérêtsence de ces facteurs est difficile. Cela vient surtout
de ce que la variable « dépendante », constituée par important de laisser espérer quelques acquisitions
propres à éclairer la relation vigilance opérationnelleles réponses des sujets aux signaux présentés, est
— vigilance physiologique.très grossière; susceptible de ne prendre que deux
valeurs (le signal est vu ou non), elle est en outre
Les résultats obtenus par cette approche physiolo-discontinue dans le temps (les réponses sont rares,
gique seront discutés plus loin en les confrontantcomme les signaux). Dans ces conditions, l'informa-
avec les données électro encéphalographiques. Aupa-tion obtenue sur le comportement du sujet est extrê-
ravant, présentons les arguments qui, avant toutemement pauvre. Que fait-il entre l'apparition de
exploration physiologique, apparaissent en faveurdeux signaux? Quand il omet un signal était-il près
de la théorie dite de l'activation, arguments acquisde le détecter ou très loin de pouvoir le faire? A
pour une part par les méthodes les plus classiquesdéfaut d'informations complémentaires, on en est
de la psychologie expérimentale.réduit à des hypothèses dont les vérifications ont
toujours été précaires.
Certains auteurs, conscients de la difficulté et choisis-
sant de perdre une part supplémentaire de l'infor- 2. - ARGUMENTS EN FAVEUR DE LA THÉORIE
mation, renoncent à analyser l'évolution de la vigi- DE L'ACTIVATION
lance et ne considèrent que le niveau global de la
performance (fréquence moyenne de détection ou
De nombreux faits plaident en faveur de la théorierapport du nombre de signaux détectés sur le nombre
de l'activation, certains étant fournis par l'expéri-de signaux présentés).
mentation psychologique proprement dite, d'autres
provenant de l'observation et de l'interview.De telles procédures ne présentent pas seulement
l'inconvénient de fournir peu d'informations, elles
peuvent aussi conduire à des conclusions erronées Arguments apportés par la psychologie expérimentale :
et à un choix inapproprié d'aménagements de la
tâche : ainsi une baisse de vigilance provoquée par 1° L'aide apportée au maintien de la vigilance par
la distraction se manifeste par une performance les signaux dits artificiels constitue un premier signe
absolument identique à celle qui résulte d'une baisse du rôle joué par le niveau d'activation dans l'effi-
de vigilance par suite d'assoupissement. Or, ces deux cacité d'une tâche de surveillance. De tels signaux,
causes ne nécessitent pas le même remède. indépendants des signaux de la tâche, favorisent la
détection des signaux critiques, surtout si on les uti-
Par ailleurs, les tâches de vigilance sont encore carac- lise pour renseigner le sujet sur la valeur de ses détec-
térisées par la grande variabilité interindividuelle tions à ces signaux artificiels. Il va de soi que ce
des performances. . De grands échantillons sont bénéfice apporté à l'exécution de la tâche est le fait
nécessaires pour révéler l'existence de lois générales. des stimulations produites par cette modalité parti-
Le petit nombre des informations utilisées pour déter- culière d'accomplissement de la surveillance, en
miner une performance individuelle (15 à 20 signaux d'autres termes il est le résultat d'une élévation du
à l'heure par exemple) suffit à faire comprendre la niveau d'activation du sujet (WALL1S 1958; GAR-
difficulté qu'il y a à comparer entre elles les per- VEY 1959; BAKER 1960; FAULKNER 1962).
formances individuelles des sujets. Là encore, en
ne considérant que la seule performance, l'analyse 2° Les tâches de surveillance sont considérées comme
et l'interprétation de l'évolution de la performance étant les plus sensibles à la privation de sommeil
individuelle sont hasardeuses. (WILKINSON 1959 et 1960; BAUMSTIMLER,
WITTERSHEIM, GRIVEL, CUBAYNES et PAR-
ROT 1963) et d'autant plus sensibles que le sujetL'utilité du recours à d'autres critères apparaît donc
justifiée. est moins actif (fig. 4).
— 10 —

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