Modélisation d une activité de la vie quotidienne avec l architecture cognitive ACT-R *

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1 Modélisation d une activité de la vie quotidienne avec l architecture cognitive ACT-R * Audrey Serna, Hélène Pigot, Vincent Rialle Département d informatique Université de Sherbrooke Sherbrooke (Qc, Canada, J1K 2R1 Audrey.Serna@usherbrooke.ca - Rapport de recherche No. 2 - Résumé La maladie d Alzheimer est une maladie neurodégénérative qui touche les fonctions cognitives (troubles de la mémoire, de l attention, du langage, des fonctions exécutives et perturbe les malades dans la vie quotidienne. Du besoin d évaluer les performances ces malades dans la réalisation d une activité de la vie quotidienne est né le besoin de les modéliser et les simuler. Le travail effectué dans ce stage est donc de modéliser les évolutions de la démence de type Alzheimer au travers de l évaluation des performances dans la réalisation d une activité de la vie quotidienne. Le test en ergothérapie du Kitchen Task Assessment est apparu idéal pour faire cette étude car il allie à la fois réalisation d une activité de la vie quotidienne simple, détection des comportements anormaux et assistance cognitive pour rectifier les erreurs. Il fournit un comportement type et une évaluation en fonction des stades de démence. Grâce à l architecture cognitive ACT-R, nous avons développé un modèle qui répond à la fois aux trois objectifs suivants: Simuler une activité de la vie quotidienne, simuler l évolution de la démence au travers de la dégradation des performances dans la réalisation de l activité et enfin simuler l apport de l examinateur (ou aide cognitive. Mots clés : Modélisation informatique, Architectures cognitives, ACT-R, Représentation de l activité, Troubles cognitifs, Démence * Ce travail a été financé par la faculté des sciences, Université de Sherbrooke Auteur à contacter : Audrey Serna, Hélène Pigot. Tel.: poste 3825; fax: Vincent Rialle, Laboratoire TIMC-IMAG, Grenoble, France

2 Table des matières Liste des tableaux 4 Liste des figures 4 1 Introduction 5 2 L architecture cognitive ACT-R Introduction sur les architectures cognitives L architecture cognitive ACT-R Présentation globale de ACT-R ACT-R et la représentation des connaissances Structure symbolique et structure sub-symbolique: Le module de but Le module sensori-moteur La représentation de la mémoire en ACT-R La mémoire déclarative en ACT-R La mémoire procédurale en ACT-R La mémoire de travail en ACT-R 10 3 La maladie d Alzheimer et le Kitchen Task Assessment La maladie d Alzheimer La démence et la maladie d Alzheimer L évolution de la maladie d Alzheimer Le Clinical Dementia Rating Le Kitchen Task Assessment Présentation du Kitchen Task Assessment La procédure La notation Les résultats 14 4 La conception du modèle Les objectifs Déroulement de l activité et choix de la représentation Les différents types d erreurs commises lors du Kitchen Task Assessment Décisions de modélisation pour le déroulement de l activité 18 5 L implémentation du modèle en ACT-R Les contraintes liées à la mémoire de travail L activation des éléments La hiérarchisation des buts La représentation des connaissances La mémoire déclarative Les buts 22 2

3 5.2.3 La mémoire procédurale La modélisation des erreurs et l ajustement du modèle Erreurs d oubli : activation des chunks Erreurs de confusion : activation des chunks Erreurs de comportements : utilité des productions La détection des erreurs et la modélisation de l aide Erreurs liées à l activation des chunks Erreurs liées à l utilité des productions Valeurs de paramètres 31 6 Résultats et discussion Résultats Discussion Le détail des étapes et des critères La finesse de modélisation La variation des paramètres d une étape à l autre 35 7 Conclusion 36 References 38 Annexes 40 Annexe 1 : Feuille du kitchen task assessment 40 Annexe 2 41 A2.1 Déroulement du modèle pour une personne saine (CDR = 0 41 A2.2 Déroulement du modèle pour une démence questionnable (CDR = A2.3 Déroulement du modèle pour une démence légère (CDR = 1 43 A2.4 Déroulement du modèle pour une démence modérée (CDR = 2 45 A2.5 Déroulement du modèle pour une démence sévère (CDR = 3 47 Annexe 3 : Extraits du Code ACT-R du modèle 49 3

4 Liste des tableaux Tableau 1. Résultats du Kitchen Task Assessment (Baum et Edwards [11] Tableau 2. Déroulement normal de l'activité Tableau 3. Erreurs sélectionnées dans le guide de notation Tableau 4. Modélisation du déroulement de l'activité de cuisine (avec erreurs Tableau 5. Les buts de déroulement de l'activité Tableau 6. Les buts impasses pour les scénarios erronés Tableau 7. Récupération d'un ingrédient Tableau 8. Choix de stratégies Tableau 9. Transition entre deux étapes Tableau 10. Détection d'une erreur d'omission Tableau 11. Détection d'une erreur d'initiation Tableau 12. Valeurs des paramètres selon les stades de démence Tableau 13. Valeurs des paramètres fixes dans le modéle Tableau 14. Résultats du modèle Liste des figures Figure 1. Organisation de ACT-R... 8 Figure 2. Organisation de la mémoire déclarative

5 1 Introduction Dans la plupart des pays industrialisés, la proportion des personnes âgées de plus 65 ans ne cesse d augmenter. La sénilité est le risque majeur pour cette couche de la population et plus de 60% des cas de sénilité sont dus à une démence de type Alzheimer. Les recherches sur le maintien à domicile de ces personnes, dans les domaines de la télémédecine et de la télésurveillance médicalisée, sont donc devenues une véritable préoccupation de santé publique. L enjeu des habitats intelligents est de palier à la détérioration cognitive des personnes atteintes de démence de type Alzheimer pour leur permettre de conserver une certaine autonomie à leur domicile. En effet, ce type de démence détériore les fonctions cognitives des malades, créant un déficit attentionnel, des pertes mnésique, et les gênant dans la réalisation d activités de la vie quotidienne. Les malades peuvent alors mettre en jeu leur sécurité si l habitat n est pas adapté. Les habitats intelligents doivent donc être capable d assurer la sécurité des malades, notamment grâce à un système de reconnaissance automatique de situations à risques. Ils doivent aussi améliorer leur confort de vie par diverses aides aux tâches de la vie quotidienne. Dans ce contexte, il s avère intéressant de pouvoir fournir un modèle cognitif qui rende compte du comportement d une personne atteinte de démence. Le caractère prédictif du modèle pourrait alors permettre la prévention des erreurs qu une personne atteinte de démence risquerait de commettre dans sa maison. Les recherches dans la modélisation de la cognition humaine se consacrent surtout à l étude des comportements normaux observés dans la résolution de problèmes. Dans le cadre des habitats intelligents, l étude du modèle cognitif doit se tourner vers la simulation de comportements anormaux, liées aux troubles de démence, pour ce qui nous concerne. Le deuxième enjeu du modèle réside dans le fait qu il devra simuler la réalisation d une activité de la vie quotidienne, et non la résolution d un problème mathématique ou logique. Le modèle s appuiera sur la théorie de J.R Anderson sur la modélisation du raisonnement et des processus mentaux, et sur l architecture cognitive ACT-R issue de ses travaux. Il devra modéliser un test en ergonomie, le Kitchen Task Assessment, qui permet d évaluer différents patients atteints de démence de type Alzheimer sur la réalisation d une tâche de cuisine. Ce test a été choisi parce qu il évalue le comportement des sujets par rapport aux erreurs qu ils commettent mais aussi par rapport au niveau d assistance cognitive dont ils ont besoin pour réaliser l activité. Dans un premier temps, nous jetterons les bases théoriques nécessaires à la compréhension du modèle. Nous présenterons d abord la théorie de l architecture cognitive ACT-R puis la maladie d Alzheimer et les troubles qu elle provoque. Nous détaillerons aussi le déroulement du Kitchen Task Assessment puisque c est l activité que nous devons modéliser. Dans un deuxième temps, nous expliquerons les décisions de conception et de modélisation que nous avons prises, puis nous détaillerons l implémentation grâce à ACT-R. Nous expliquerons les mécanismes de modélisation des erreurs, de leur détection et de leur rectification à l aide d une intervention extérieure. Nous expliquerons comment nous avons modélisé les différences de comportement liées aux différents stades de démence. Enfin, après avoir présenté nos résultats, nous discuterons de la finesse de modélisation et nous conclurons à la réalisation des objectifs. 5

6 2 L architecture cognitive ACT-R 2.1 Introduction sur les architectures cognitives Une architecture cognitive est une théorie unifiée du fonctionnement de l esprit humain. Le terme d architecture cognitive se réfère à l ensemble des structures, outils, techniques et méthodes qui supportent la conception et la construction de modèles de la cognition humaine individuelle dans une situation particulière (Grant [18]. Selon John R. Anderson, une architecture cognitive est une structure relativement complète de l organisation de la cognition humaine (Anderson [6]. En ce sens, elle contraste avec les théories, qui abordent uniquement un aspect de la cognition, par exemple celui de la distinction entre mémoire à long terme et mémoire à court terme (Anderson [6]. 2.2 L architecture cognitive ACT-R Présentation globale de ACT-R ACT-R est une architecture cognitive implémentée et proposée par John R. Anderson. Elle découle de ses travaux sur la théorie ACT, Adaptative Component of Thought, ajoutant la rationalité de la cognition humaine, d où le R pour Rational (Anderson et Lebiere [8]. ACT-R se présente comme une théorie unifiée du comportement humain qui s appuie fortement sur des données de psychologie cognitive. Ainsi, les modèles cognitifs qui en sont issus sont des programmes computationnels qui «pensent» et «agissent» à l image des êtres humains. La force de ACT-R réside dans le fait que les modèles implémentés avec cette architecture sont des modèles prédictifs. En effet, ils fournissent des mesures quantitatives qui pourront être analysées et comparées aux mesures obtenues pour des sujets humains réels, en terme de temps de latence, d exactitude de la réponse et de données neurologiques, comme celles obtenues par IRMf. En terme de modélisation de la cognition humaine, les applications de ACT-R sont nombreuses et variées (ACT-R website [1]. Les modèles développés en ACT-R ont déjà fait leurs preuves dans des domaines tels que la mémoire et l apprentissage, le langage et la communication, la perception et l attention, le développement cognitif ou encore les différences individuelles. C est sur ce dernier point, et notamment sur les travaux sur la relation entre différences individuelles et mémoire de travail (Daily et al. [15] que nous porterons notre attention, non pas pour les différences individuelles en soit mais plutôt pour les différences de comportement à chaque stade de la maladie d Alzheimer ACT-R et la représentation des connaissances ACT-R se compose d une théorie sur la nature des connaissances humaines, et d une théorie sur la façon dont ces connaissances sont déployées et la façon dont elles sont acquises (Anderson et Lebiere [8]. ACT-R distingue deux sortes de connaissances : les connaissances déclaratives et les connaissances procédurales. Les connaissances déclaratives correspondent aux choses que l'on sait et que l'on peut décrire aux autres personnes, comme par exemple le fait que «Paris est la capitale de la France» alors que les 6

7 connaissances procédurales correspondent aux connaissances que nous faisons apparaître dans notre comportement, mais dont nous n avons pas conscience. Les connaissances procédurales permettent de spécifier comment utiliser les connaissances déclaratives dans la résolution de problèmes, comme par exemple la séquence d actions nécessaires pour prendre un objet (Anderson et Lebiere [8]. Dans l architecture ACT-R, cette distinction de savoir donne lieu à deux systèmes de mémoire à long terme : le module de mémoire déclarative et le module de mémoire procédurale Structure symbolique et structure sub-symbolique: La théorie de ACT-R est fondée sur de multiples modules, chacun consacré au traitement de différentes sortes d information, qui s intègrent pour produire une cognition cohérente. Certains de ces modules dont le module sensori-moteur, le module de but ou encore le module de mémoire déclarative sont associés à des régions corticales (Anderson et al. [9] (cf. Figure 1. Ces modules sont encapsulés et communiquent uniquement via l information disponible dans les buffers qui leur sont respectivement associés. La coordination du comportement des modules est assurée par un système central de production sensible à l information présentée par les buffers. Le système de production va pouvoir y détecter des patterns d information et sélectionner une règle de production. Bien que les modules fonctionnent de façon parallèle et asynchrone, le système de production assure un fonctionnement séquentiel, puisqu une seule règle de production peut être sélectionnée à la fois. Les opérations internes des modules et les processus sub-symboliques servent à guider la sélection des règles. Un cycle critique de ACT-R correspond donc à un cycle dans lequel les buffers contiennent les représentations déterminées par le monde extérieur et les modules internes, des «patterns» sont reconnus dans ces buffers, une production est activée, et les buffers sont mis a jour pour un nouveau cycle (Anderson et al. [9]. La mise à jour des buffers peut correspondre soit à la réalisation d une action, par les buffers moteurs, soit à la perception de nouveaux éléments de l environnement, par les buffers perceptifs, soit au rappel d une connaissance en mémoire, par le buffer de récupération, soit à la modification du but courant, par le buffer de but. ACT-R peut donc être qualifié d architecture cognitive hybride, utilisant à la fois une structure symbolique, avec le système de production décrit précédemment, et une structure sub-symbolique, avec l ensemble de processus massivement parallèles qui peuvent être résumés par un certain nombre d équations mathématiques. Ce système sub-symbolique est utilisé pour définir les temps de latence dans la récupération d éléments en mémoire, pour résoudre des cas de conflits dans le système de production lorsque plusieurs règles de productions sont susceptibles d être appliquées, et enfin pour les processus d apprentissage sub-symboliques (ACT-R website [1]. 7

8 Figure 1. Organisation de ACT-R. Le monde extérieur, les différents modules de ACT-R avec les zones corticales correspondantes, les buffers associés à ces modules et le système de production de ACT-R. DLPFC = cortex préfrontal dorsolatéral et VLPFC = cortex préfrontal ventrolatéral. (Anderson et al. [9] Le module de but ACT-R utilise une structure avec un seul module de but, dont la tâche consiste à maintenir une cohérence locale dans une résolution de problème et à mettre en place une stratégie efficace. Les différents buts sont gérés par une pile de buts et le buffer du module permet de stocker le but courant du système (le but en sommet de pile Le module sensori-moteur Afin de modéliser le comportement de base de synchronisation des systèmes moteurs et perceptifs, en d autres termes des entrées perceptuelles et des sorties motrices, un module, ACT-R/PM (ACT-R/PM website [2], a été développé et ajouté à ACT-R, s inspirant largement de l'architecture EPIC (Meyer et Kieras [23]. Il agit en parallèle avec le système de production de ACT-R pour contrôler la vision, la motricité, l'audition et la parole (Bothell [13]. Le système visuel contient l information sur le lieu d une situation visuelle, encode les objets visuels et traduit la focalisation de l attention visuelle. Ce module utilise la théorie du système visuel humain et sépare le traitement en deux buffers, l un pour la voie dorsale, ou la voie du «where» qui se charge de la localisation spatiale des éléments et l autre pour la voie ventrale, ou la voie «what» qui se charge 8

9 de l identification de l objet. En ce sens, ACT-R implémente plus une théorie de l attention visuelle qu une théorie de la perception, puisque l on ne se préoccupe pas de la perception des champs de lumière au niveau de la rétine (Anderson et al. [9]. Le système auditif permet au système central de percevoir des sons. Il fonctionne sensiblement de la même manière que le système visuel. Le système moteur permet au système central d effectuer des mouvements dans l environnement simulé. Il concerne les mouvements de la main et l utilisation du clavier ou d une souris. La théorie est élaborée à partir des caractéristiques du mouvement manuel : préparation du mouvement, loi de Fitts (durée = a + b log 2 (2D/L et propriétés du clavier. Enfin, le système vocal permet au système central de produire des sons. 2.3 La représentation de la mémoire en ACT-R On distingue deux systèmes mnésiques distincts chez l homme : la mémoire à court terme, limitée dans le temps et en capacité pour un stockage temporel de l information, et la mémoire à long terme, pour le stockage pérenne des informations (Baddeley [10]. La mémoire à long terme est constituée de deux systèmes différents : la mémoire déclarative, incluant mémoire sémantique connaissances du monde - et mémoire épisodique - caractéristiques liées aux événements vécus -, et la mémoire procédurale liée aux savoir-faire-. On parle souvent d une extension de la mémoire à court terme, appelée mémoire de travail, qui permet d'effectuer des traitements cognitifs sur les éléments qui y sont temporairement stockés. Selon Baddeley [10], la mémoire de travail fournit un système susceptible à la fois de sélectionner, maintenir et traiter l'information pendant que le sujet effectue différentes tâches cognitives comme la compréhension, l'apprentissage, le raisonnement, ou encore la résolution de problèmes La mémoire déclarative en ACT-R L'information stockée dans la mémoire déclarative permet une cohérence personnelle et culturelle sur du long terme. Elle correspond à la fois à la mémoire sémantique et à la mémoire épisodique dont nous venons de parler. Dans ACT-R, l'unité de base des connaissances déclaratives s'appelle le chunk. Il existe une hiérarchisation des chunks puisque chaque chunk peut être constitué d éléments eux-mêmes considérés comme chunks. Pendant la phase de pattern-matching, la sélection des chunks va se faire en fonction de leur activation. C'est le chunk le plus actif correspondant à la requête courante qui sera choisi. L activation d un chunk, qui varie au cours du temps, contrôle à la fois la probabilité d être récupéré et la vitesse de récupération. En d autres termes, la capacité de rappel d une information va dépendre de son activation en mémoire et donc des paramètres qui définissent cette activation. En utilisant la formule basique des théories sur l activation, on peut définir l activation d un élément de la mémoire comme la somme d une activation du niveau de base, reflétant l utilité générale de l élément dans le passé, et d une activation associative, reflétant la pertinence de l élément par rapport au contexte courant (Anderson et al. [9]. Nous détaillerons dans notre modèle l activation associative qui nous servira au maintien des éléments de la mémoire de travail. 9

10 Par cette méthode, un certain nombre de phénomènes liés à la mémoire, comme les oublis ou la confusion d éléments, peuvent être modélisés La mémoire procédurale en ACT-R La mémoire procédurale est représentée par des règles de production qui servent à coordonner la récupération d informations à partir de la mémoire déclarative et de l environnement, pour exécuter des actions qui changeront l état du but courant. Ces règles de production sont de type actioncondition, où la condition spécifie ce qui doit être vrai pour l application de la règle, et où l action spécifie l ensemble d actions à exécuter si la règle est appliquée (Anderson et Lebiere [8]. Chaque production possède une valeur d utilité, qui reflète la valeur de contribution de la règle à la réalisation de l'objectif courrant du modèle. A un instant donné, plusieurs règles de production peuvent être applicables, mais du fait de la sérialité de l exécution du système de production, une seule règle de production doit être sélectionnée, c est celle qui aura la plus grande utilité (Anderson et al. [9]. C est grâce à ce mécanisme de résolution de conflit que des phénomènes tels que le choix entre différentes stratégies peuvent être modélisés (Jongman et Taatgen [20]. Nous développerons ce point pour modéliser des problèmes, comme par exemple des problèmes d initiation ou de persévération, liés à la maladie d Alzheimer La mémoire de travail en ACT-R Selon Baddeley [10], le terme de mémoire de travail a été utilisé dans plusieurs sens. La théorie de ACT-R est associée à deux d entre eux (Anderson et al. [7]. Le premier définit la mémoire de travail par le fait que le sujet doive maintenir une charge de mémoire pendant l accomplissement d une tâche. La théorie de ACT-R est liée à cette notion de par ses racines dans la littérature sur la mémoire humaine. La seconde façon de voir la mémoire de travail est associée aux théories sur les systèmes de production. La mémoire de travail correspond, selon ce point de vue, à l information courante disponible (dans une «base de faits» avec laquelle les règles de productions font leurs appariements (Anderson et al. [7]. ACT-R est un système de production un peu particulier car il n a pas de mémoire de travail en tant que telle. Comme nous venons de l expliquer, les éléments de la mémoire déclarative sont associés à des niveaux d activation qui conditionnent leur accès. Dans ACT-R, la mémoire de travail correspond à la portion de mémoire déclarative dont l activation est supérieure à un seuil de récupération (Anderson et al. [7]. En d autres termes, la mémoire de travail est identifiée dans ACT-R au moyen du système sub-symbolique. 10

11 3 La maladie d Alzheimer et le Kitchen Task Assessment 3.1 La maladie d Alzheimer La démence et la maladie d Alzheimer La maladie d'alzheimer est une maladie neurodégénérative qui provoque des lésions au cerveau, conduisant à la perte de la mémoire et des fonctions cognitives [17]. C'est une maladie à la croisée de plusieurs sciences: neurologie, gériatrie, psychiatrie et médecine générale. Le syndrome démentiel se définit comme étant une détérioration globale des fonctions cognitives chez une personne ayant un état de conscience normal. La survenue et l'évolution sont progressives et les troubles sont irréversibles [14]. Ce syndrome est à distinguer du mécanisme de vieillissement cérébral. Les maladies neurologiques dégénératives sont la principale cause de démence. En Europe, la maladie d'alzheimer représente 60% des causes de démences. La maladie d'alzheimer se caractérise par une perte neuronale, rétrécissement ou disparition des cellules cérébrales, prédominante dans le cortex temporal et l'hippocampe [14]. En parallèle, on observe des dégénérescences neurofibrillaires [5] et des plaques séniles en grand nombre, dues à la production anormale de protéine amyloïde, aussi appelée protéine A [5]. Cette protéine n'est pas dégradée par l'organisme et s'accumule pour se déposer en plaques qui détruisent les connexions neuronales. Enfin, on observe une diminution du neuromédiateur de la mémoire, l'acétylcholine [14] L évolution de la maladie d Alzheimer La progression des lésions se fait d'abord dans les régions hippocampiques et entorhinales, responsable de la mémoire, avant de s'étendre aux cortex associatifs temporo-pariétaux et frontaux [19], entraînant au fur et à mesure la perte de certaines fonctions ou habiletés cognitives. La maladie d'alzheimer est caractérisée par l'affectation des facultés mentales comme la cognition, la mémoire, le langage, le jugement et les prises de décision, de même que l'humeur et les émotions de la personne. La maladie entraîne aussi des changements dans le comportement. Graduellement, la personne perd son autonomie. Les manifestations les plus fréquentes et les plus précoces, qui s'accompagnent d'un retentissement sur la vie quotidienne, sont des troubles de mémoire, d'abord les faits récents puis les faits anciens, et des modifications du comportement tel que la perte d'initiative, l apathie ou des symptômes dépressifs. Viennent ensuite s'ajouter au fur et à mesure: une désorientation temporo-spatiale (dans le temps puis dans l'espace, des troubles des fonctions exécutives (organiser et réaliser une tâche cognitive comme par exemple, planifier un trajet nécessitant plusieurs correspondances, des troubles du langage (oubli des mots ou aphasie mnésique, des troubles praxiques (difficulté d'utiliser des appareils ménagers et enfin des troubles gnosiques (difficulté à reconnaître des symboles abstraits, comme des logos ou des panneaux routiers [14]. L'évolution de la maladie d'alzheimer varie d'une personne à l'autre et peut s'échelonner sur trois à vingt ans, la durée moyenne de survie étant de 8 à 12 ans [27]. On peut décrire l'évolution de la 11

12 maladie par une série de phases qui servent de guide d'aggravation de la maladie et qui peuvent aider à prendre des décisions concernant les soins à procurer [25] Le Clinical Dementia Rating Le Clinical Dementia Rating (CDR (Berg [12] est une échelle de 5 points utilisée pour caractériser six domaines des performances cognitives et fonctionnelles applicables à la maladie d'alzheimer et aux démences reliées : mémoire, orientation, jugement et résolution de problèmes, affaires publiques, maison et passe-temps, et soins personnels [3]. L'information nécessaire pour faire chaque estimation est obtenue suite à une entrevue semi structurée du patient et via un informateur fiable, par exemple un membre de la famille. En plus des estimations pour chaque domaine, un score global du CDR peut être calculé par l'utilisation d'un algorithme spécifique (Morris [24]. Ce score peut servir à caractériser et dépister le niveau de démence ou de détérioration d'un patient. Les niveaux de démences définis par le CDR sont : CDR 0 : État Normal CDR 0.5 : Démence questionnable, voire très légère CDR 1 : Démence légère CDR 2 : Démence modérée CDR 3 : Démence sévère Le CDR est une mesure très utilisée en clinique pour diagnostiquer le stade de démence. 3.2 Le Kitchen Task Assessment Les aides soignants qui travaillent au contact de personnes atteintes de démence sénile ont besoin de connaître les capacités des patients pour aider et orienter les membres de leurs familles (Baum & Edwards [11]. Ils doivent donc connaître le niveau d'assistance cognitive dont a besoin une personne atteinte d'une démence de type Alzheimer dans la réalisation d'activités de la vie quotidienne. En général, les tests neuropsychologiques fournissent des renseignements sur les déficiences du patient, en termes de langage, de mémoire, de perception, de raisonnement, de planification, d émotions et de contrôle de soi (Wilson [28]. Cependant aucune relation n'est pour l'instant connue entre ces tests et les performances du patient dans la réalisation des activités de tous les jours. L'ergothérapeute évalue la cognition pour déterminer si une personne peut utiliser ces capacités de raisonnement et de mémoire pour faciliter l exécution des tâches de la vie quotidienne. Il est important d'avoir une évaluation qui répertorie les changements de performances au cours de la progression de la maladie. Le Kitchen Task Assessment a été développé par Baum et Edwards [11] pour fournir une évaluation standardisée de ces performances Présentation du Kitchen Task Assessment Le Kitchen Task Assessment (a évalue les processus cognitifs qui affectent la réalisation d'une tâche et détermine le niveau d'assistance cognitive nécessaire pour réussir la tâche; (b il peut être réalisé soit en milieu hospitalier, soit chez le patient puisque que c'est un test de courte durée; (c il permet au clinicien d'observer et de traduire les performances du patient en stratégies, que l'aide-soignant peut ensuite utiliser pour organiser cognitivement les autres activités de la vie quotidienne; (d il génère un 12

13 score pour mesurer les changements au cours du temps, progression ou amélioration (Baum & Edwards [11]. Le Kitchen Task Assessment a été testé sur 106 sujets âgés de 71 et 75 ans et atteints de la maladie d'alzheimer. Tous vivent avec un aide-soignant. Chaque sujet a subi un diagnostic utilisant le Clinical Dementia Rating (Berg [12] pour évaluer l'état de la maladie La procédure Le Kitchen Task Assessment teste les capacités d'une personne atteinte de démence de type Alzheimer dans l'accomplissement d'une tâche de cuisine, à savoir la réalisation d'une recette de gâteau de type pudding issue d'un paquet commercial. La recette consiste à mesurer les ingrédients et les mélanger. Il faut ensuite faire chauffer le mélange et enfin le répartir dans quatre petits plats. La personne qui fait passer le test doit fournir l'assistance nécessaire au sujet pour que l'expérience se déroule avec succès. Les préparatifs du test (Baum & Edwards [11] consistent à mettre à disposition tous les ustensiles nécessaires pour la réalisation du gâteau (cuillère en bois, verre mesureur ainsi que le paquet de gâteau commercial et mettre le lait au réfrigérateur. L examinateur doit utiliser les mêmes instructions que sur la boîte de gâteau, les imprimer en gros caractères et les placer à hauteur des yeux de la personne. Enfin, il doit placer du savon et des serviettes en papier près de l'évier. Avant de commencer l'expérience, l'examinateur doit s'assurer des capacités du sujet à répondre face à une aide verbale et/ou à une assistance physique en lui demandant de se laver les mains. Si le sujet ne peut réaliser cette tâche avec ou sans assistance, le test ne devrait pas être effectué. Dans le cas contraire, le test peut commencer et l examinateur doit fournir un certain nombre d instructions au sujet (Baum & Edwards [11]. Il doit l informer du but de l expérience, à savoir de mélanger les ingrédients dans un saladier puis de verser la pâte dans un moule. Le sujet doit être informé que le lait est dans le réfrigérateur et que les instructions sont sur la boîte et sur le mur. L examinateur doit montrer au sujet comment marche la cuisinière et quel feu utiliser, et lui préciser qu une aide lui sera fournie après avoir déterminé son incapacité à exécuter la tâche sans aide si sa sécurité n'est pas en jeu La notation Les performances du sujet sont évaluées selon différents critères (Baum & Edwards [11]. a Initiation: le sujet peut-il initier la tâche? b Organisation: le sujet peut-il réunir tous les ingrédients nécessaires? c Réalisation de toutes les étapes : le sujet peut-il réaliser toutes les étapes nécessaires à l'accomplissement de la tâche? d Séquençage : le sujet peut-il organiser séquentiellement les étapes pour que la tâche puisse être effectuée? e Jugement et sécurité : le sujet est-il en sécurité quand il réalise la tâche? f Complétion : le sujet s'aperçoit-il de la fin de la tâche? Pour chaque critère, le niveau d'assistance du superviseur du test est évalué en attribuant une note de 0 à 3 : 0 pour le sujet complètement indépendant, 13

14 1 pour le sujet qui nécessite une aide verbale, 2 pour le sujet qui nécessite une assistance physique 3 pour le sujet totalement incapable. La note est attribuée indépendamment du nombre d indices donnés par l examinateur. Ainsi, même si le sujet a besoin de plusieurs aides verbales mais une seule aide physique pour un certain critère, c est l aide physique qui sera retenue. Le test sera donc échelonné entre 0 et 18, le score le plus élevé correspondant aux performances les plus dégradées Les résultats Le Kitchen Task Assessment a été créé pour aider l'ergothérapeute à planifier le traitement. Comme il met en évidence les performances du patient à chaque stade de la maladie et enregistre les changements, il peut être utilisé aussi bien comme un outil clinique que comme un outil de recherche. Le Kitchen Task Assessment permet au clinicien d'obtenir des informations objectives qu'il pourra ensuite utiliser pour entraîner l'aide soignant à assister des personnes atteintes de démences de type Alzheimer dans les tâches de vie quotidienne. Les résultats montrent une corrélation entre le stade de la maladie et le résultat du Kitchen Task Assessment (cf. Tableau 1. Les principaux scores obtenus lors de l'étude indiquent qu'une démence légère, avec un CDR de 1, nécessite une aide verbale pour l'accomplissement d'une tâche alors que les démences modérée et grave, avec un CDR de 2 ou 3, nécessitent une assistance physique (Baum et Edwards [11]. Stade n M SD rang CDR 0.5 (Questionnable CDR 1 (Légère CDR 2 (Modérée CDR 3 (Sévère (Total sujets Tableau 1. Résultats du Kitchen Task Assessment (Baum et Edwards [11] À noter que la connaissance du diagnostic et de la phase de la maladie ne suffit pas toujours à prédire les capacités du patient. Par exemple, dans le cas d'une démence incertaine ou légère, on peut attribuer la variabilité de performance d'un sujet à un autre à la méconnaissance du lieu où s'est déroulé le test. En conclusion, le Kitchen Task Assessment permet de savoir si une personne atteinte de démence de type Alzheimer peut accomplir une tâche complexe de la vie quotidienne seule et dans le cas contraire de connaître le niveau d'assistance cognitive nécessaire à l'accomplissement de cette tâche. 14

15 4 La conception du modèle 4.1 Les objectifs Le Kitchen Task Assessment permet donc de rendre compte des différentes erreurs que commettent les personnes atteintes de la maladie d Alzheimer dans la réalisation d une activité de la vie quotidienne. Dans le cadre des recherches sur la modélisation des déficits cognitifs de ces personnes et du développement des habitats intelligents, il apparaît intéressant de pouvoir modéliser et simuler un test ergothérapique comme le Kitchen Task Assessment. En effet, le maintien à domicile des personnes âgées dépendantes, et tout particulièrement celles atteintes de démence de type Alzheimer, implique un habitat adapté à leurs déficits cognitifs, qui les aide à garder leur autonomie. Concevoir un modèle cognitif de ces personnes devrait permettre, de par ses capacités prédictives, de prévenir les erreurs que la personne atteinte de pertes cognitives risque de commettre dans sa maison, voire de les corriger le cas échéant. Le Kitchen Task Assessment propose l évaluation d une activité de la vie quotidienne simple, qui fait appel à des connaissances communes aux sujets, indépendamment de leur sexe ou de leurs habitudes. Il semble donc que ce test soit très bien adapté à la réalisation d un premier modèle cognitif d une activité de la vie quotidienne par une personne atteinte de la maladie d Alzheimer. Le modèle cognitif du Kitchen Task Assessment sera développé avec l architecture cognitive ACT-R, présentée précédemment, et devra reproduire le comportement de sujets atteints de démence de type Alzheimer. Il devra donc modéliser le déroulement de l activité de cuisine, altérée ou non par les différentes erreurs que pourraient commettre les sujets selon le stade de leur maladie, du sujet sain au sujet atteint d une démence sévère. Le modèle devra aussi rendre compte du niveau d assistance cognitive nécessaire à l exécution de la tâche. Il devra donc modéliser l impact de l aide apportée par le superviseur du test sur le comportement du sujet. En effet, les résultats du Kitchen Task Assessment montrent que, selon le stade de la maladie, les sujets ne réagissent pas de la même façon face à l intervention du superviseur, et que plus la maladie est avancée, plus l assistance cognitive est importante. Ainsi, dans une situation particulière, un sujet atteint d une démence légère devrait rectifier son comportement grâce à une intervention orale du superviseur alors qu un sujet atteint d une démence sévère ne réagira qu après une intervention physique. L aide du superviseur étant ainsi prise en compte dans la modélisation du déroulement de l activité, le modèle pourra fournir le score obtenu par le sujet, selon la notation spécifiée dans le Kitchen Task Assessment (Baum et Edward [11]. De cette façon, le Kitchen Task Assessment pourra être simulé par notre modèle en ACT-R pour un certain nombre de sujets, de manière à pouvoir être comparé avec les résultats de sujets réels, présentés par C. Baum (Baum et Edwards [11]. Il apparaît donc essentiel de pouvoir paramétrer le modèle en fonction du stade de la maladie d Alzheimer. Ainsi, les profils types modélisant chaque stade de démence, toujours selon le CDR, devront ajuster les paramètres de ACT-R pour que le système sub-symbolique puisse rendre compte des différences comportementales attribuées aux stades de la maladie. Un premier travail (Deleuze [16] sur ce sujet avait permis d établir les prémisses de la modélisation de certains phénomènes liés à la mémoire et à la maladie d Alzheimer, en particulier le phénomène d oubli, ou erreur d omission, et le phénomène de confusion, ou erreur de commission. Une modélisation de l aide verbale et physique avait aussi été suggérée par un slot du but, pour le cas des 15

16 erreurs d omission. Dans ce travail, la modélisation du Kitchen Task Assessment s était concentrée sur un critère de notation du Kitchen Task Assessment, le critère d organisation. Il avait été évalué dans une sous-étape de l activité de cuisine, à savoir la collecte de deux ingrédients et de l ustensile nécessaire à la confection du pudding. Dans le travail présenté dans ce mémoire, nous avons essayé d adopter une approche de modélisation différente de celle de B. Deleuze. Nous avons procédé à la hiérarchisation des étapes de la confection du pudding, que nous avons détaillées et spécifiées par la suite. Nous avons aussi changé l implémentation de la modélisation de l aide apportée par le superviseur, car le fait qu elle soit directement implémentée dans le but du modèle ne nous paraissait pas satisfaisant. 4.2 Déroulement de l activité et choix de la représentation Modéliser le Kitchen Task Assessment consiste à modéliser le déroulement de l activité d une personne saine et d une personne atteinte de démence de type Alzheimer. Dans les deux cas, la détection de certaines erreurs dans le comportement de cette personne vont permettre d attribuer, selon la nature de l erreur et de l assistance cognitive nécessaire à sa rectification, une note pour chaque critère du test, à savoir initiation, organisation, exécution de toutes les étapes, séquençage des étapes, jugement et sécurité, et enfin complétude (cf. Section Les différents types d erreurs commises lors du Kitchen Task Assessment La première étape nécessaire à la modélisation du Kitchen Task Assessment consistait donc à définir les détections de scénarios anormaux de l activité. Il a fallu dégager, à partir du déroulement normal de l activité (cf. Tableau 2 et du guide de notation fourni par le test, les erreurs types modélisables en ACT-R nous permettant d obtenir une évaluation satisfaisante du comportement du sujet. 0. Commencer la tâche 1. Mesurer a Prendre le lait qui est dans le réfrigérateur b Prendre le verre mesureur c Mesurer la bonne quantité de lait 2. Mélanger les ingrédients a Verser le lait mesuré dans la casserole b Verser la poudre à pudding dans la casserole c Prendre la cuillère en bois d Mélanger les ingrédients 3. Chauffer a Allumer la plaque de cuisson de la gazinière b Placer la casserole sur la plaque c Remuer et attendre que le mélange chauffe d Éteindre la plaque de cuisson 4. Répartir a Prendre la casserole b Prendre un plat 16

17 c Verser le mélange dans le plat d Exécuter b et c jusqu à ce qu il n y ait plus de plat vide e Prendre la spatule en caoutchouc f Gratter le fond de la casserole 5. Ranger (Fin de la tâche Tableau 2. Déroulement normal de l'activité Pour chaque critère, Baum et Edwards [11] relève les erreurs les plus fréquentes commises par les sujets. Nous avons sélectionné celles qui nous paraissaient représenter le mieux chaque critère (cf. Tableau 3. Initiation : - Le sujet ne commence pas la tâche Organisation : mélanger Exécution des étapes : Séquençage : Jugement et sécurité : - Le sujet ne trouve pas le lait - Mauvaise utilisation des ustensiles : - Le sujet essaie de faire chauffer le mélange dans le verre mesureur au lieu de la casserole - Le sujet confond deux ustensiles (il utilise la spatule en caoutchouc au lieu de la cuillère en bois pour - Le sujet ne mesure pas le lait - Le sujet oublie de mélanger les ingrédients - Le sujet oublie de chauffer le mélange - Le sujet ne verse pas le mélange dans les plats - Le sujet allume le feu en premier, avant de commencer la tâche - Le sujet verse le lait (ou la poudre dans les plats avant de les avoir mélanger Exemples de séquençages considérés comme valides : - Le sujet peut mélanger les ingrédients dans le verre mesureur s il a la bonne quantité de lait et de poudre - Le sujet peut verser d abord le mélange chaud dans le verre mesureur puis dans les plats - Le sujet n éteint pas le feu - Le sujet manipule mal la plaque de cuisson et la casserole chaude Complétude : - La personne continue à faire des choses routinières : - Le sujet racle la casserole alors qu elle est vide - Le sujet déplace les plats sur la table - Le sujet mélange indéfiniment le mélange alors qu il est chaud - Le sujet ne met pas les ustensiles dans l évier Tableau 3. Erreurs sélectionnées dans le guide de notation 17

18 4.2.2 Décisions de modélisation pour le déroulement de l activité On peut dégager plusieurs erreurs types dans le comportement du sujet atteint de démence de type Alzheimer. L étude de ces erreurs, répertoriées dans le Tableau 3, montre clairement que certains critères de notation sont spécifiques à une étape précise du déroulement de l activité, alors que d autres sont présents dans différentes étapes. Pour attribuer une note au sujet, il faut que chaque critère soit évalué et donc modélisé, avec les erreurs qui permettent de l évaluer dans chaque étape (cf. Tableau 4. Ainsi, le critère d initiation est jugé uniquement au début de l activité. Il évalue la capacité du sujet à démarrer ou non l activité. Le critère d organisation concerne la récupération des ingrédients et la manipulation des ustensiles. On le retrouve tout au long du déroulement de l activité de cuisine. Les erreurs qui lui sont associées correspondent à l oubli d un élément (ingrédient ou ustensile ou à la confusion entre deux ustensiles. Le premier type d erreur modélisé permet de rendre compte de l incapacité du sujet à récupérer un élément tandis que le deuxième correspond à la mauvaise utilisation d un ustensile. Le critère d exécution des étapes se retrouve dans chaque stade du déroulement, à savoir mesurer, mélanger, allumer la plaque de cuisson et verser. Il correspond tout simplement à la capacité ou non du sujet à réaliser l étape. Un cas particulier est à expliquer. C est celui dans l étape de mesure du lait (étape 1, lorsque le sujet prend la casserole au lieu du verre mesureur. Il s agit d une confusion entre deux ustensiles et, normalement, l erreur devrait être répertoriée dans le critère d organisation. Cependant, on classe ce comportement anormal dans le critère d exécution des étapes. En effet, si le sujet prend la casserole pour mesurer le lait, il va en fait directement verser le lait sans le mesurer. Ce type d erreur correspond au problème d attention observé chez les malades d Alzheimer: en prenant la casserole, le sujet «oublie» l étape qu il était en train d effectuer pour se concentrer sur l objet distractif. Le critère de séquençage reflète l exécution des tâches dans un ordre fonctionnel ou non. Pour modéliser un mauvais séquençage, nous utilisons un système de transition. Cela permet de rendre compte du passage d une étape à une autre et d une mauvaise décision du sujet dans le choix de l étape suivante. Les erreurs de séquençage mènent à des scénarios impasses, qui, lors de leur exécution, vont déclencher la détection d une erreur et donc la mise en place de l aide du superviseur. Le critère de jugement et sécurité se retrouve dans la tâche de chauffe du mélange. C est l aspect jugement du critère que nous représenterons dans le fait de ne pas éteindre la plaque de cuisson. On le retrouve aussi dans la mauvaise manipulation d ustensiles, pour l aspect sécurité, comme la façon dont le sujet manipule la casserole chaude dans l étape verser. Enfin, le critère de complétion intervient à la fin de l activité, il permet d évaluer si la personne sait ou non qu elle a fini la tâche. Il met en œuvre le problème de persévération, courant chez les personnes atteintes de démence de type Alzheimer. Ces personnes vont continuer à faire des choses routinières, sans s apercevoir que la tâche initiale est terminée. Nous modélisons ce critère à travers le fait que le sujet exécute indéfiniment la même tâche sans passer à la suivante. 18

19 Nom étape/transition Tâche Erreurs Critère étape 0 : initiation Commence la tâche > Le sujet ne commence pas Initiation Transition 0 à 1 Passer à l étape 1 > Le sujet allume la plaque de cuisson Séquençage a Prendre le lait dans le frigidaire > Oubli du lait Organisation Étape 1 : Mesurer b Prendre le verre mesureur > Oubli du verre mesureur > Confusion avec la casserole Tableau 4. Modélisation du déroulement de l'activité de cuisine (avec erreurs Dans la modélisation de l activité, nous avons introduit une étape intermédiaire, non mentionnée dans le Kitchen Task Assessment. C est l étape qui consiste, après l étape de mélange des ingrédients 19 Organisation Exécution des étapes c Mesurer la bonne quantité de lait Transition 1 à 2 Passer à l étape 2 > Le sujet allume la plaque de cuisson Séquençage a Prendre la casserole > Oubli de la casserole > Confusion avec le verre mesureur Organisation pas d erreur b Verser le lait mesuré dans le > Oubli du lait mesuré Organisation récipient étape 2 : Mélanger c Verser la poudre dans le récipient > Oubli de la poudre Organisation d Prendre la cuillère en bois > Oubli de la cuillère en bois > Confusion avec la spatule Organisation Organisation e Mélanger les ingrédients > Le sujet ne mélange pas les ingrédients Exécution des étapes Si le sujet a utilisé la casserole pour > Le sujet verse le mélange dans les Séquençage mélanger les ingrédients, passer à plats l étape 3 Transition 2 à 3 étape Interm.: Changer de récipient étape 3 : Chauffer Transition 3 à 4 étape 4 : Répartir Transition 4 à 5 étape 5 : Ranger Si le sujet a utilisé le verre mesureur pour mélanger les ingrédients, passer à l étape intermédiaire a Prendre la casserole b Verser le mélange dans la casserole > Le sujet verse le mélange dans les plats Séquençage a Allumer la plaque de cuisson > Le sujet ne l allume pas Exécution des étapes b Prendre le récipient avec le mélange > Oubli du récipient Organisation c Mettre le récipient sur la plaque > Le récipient est le verrer mesureur Organisation d Remuer et attendre que le mélange > le sujet n arrête pas remuer Complétude chauffe e éteindre la plaque de cuisson > Le sujet n éteint pas la plaque de Jugement et cuisson sécurité Passer à l étape 4 > Le sujet commence à ranger Exécution des étapes a Prendre la casserole > Oubli de la casserole Organisation b Prendre un plat vide > Oubli du plat Organisation c Verser le mélange dans le plat vide >Le sujet se brûle en versant le mélange chaud >Le sujet ne verse pas le mélange d Tant qu il reste des plats vides, exécuter b et c e Prendre la spatule > Oubli de la spatule > Confusion avec la cuillère en bois Jugement et sécurité Exécution des étapes Organisation Organisation f Gratter la casserole > le sujet n arrête pas de gratter Complétude Passer à l étape 5 > Le sujet considère que la tâche Exécution des terminée étapes

20 (étape 2, à transvaser le mélange dans la casserole si ce dernier est dans le verre mesureur. Elle modélise une connaissance procédurale du sujet selon laquelle il sait que pour chauffer un ingrédient, il faut utiliser une casserole ou, du moins, un récipient résistant à la chaleur. En effet, conformément à la description faite du Kitchen Task Assessment, le sujet peut mélanger les ingrédients dans le verre mesureur au lieu d utiliser directement la casserole. Cependant, il faut ensuite que le sujet transvase le mélange dans la casserole pour pouvoir le chauffer, dans l étape suivante. Le fait d introduire une étape intermédiaire va nous permettre de pouvoir modéliser des erreurs de type organisation dans l étape suivante, si le sujet essaie de chauffer le mélange dans un récipient non adapté. Le Tableau 4 ci-dessus résume nos choix quand à la conception du déroulement de l activité de cuisine. Il permet voir l organisation des erreurs dans chaque étape et leur appartenance aux critères de notation. 5 L implémentation du modèle en ACT-R Une fois le déroulement de l activité totalement défini, la modélisation propre à ACT-R peut être mise en place. Le modèle doit simuler le comportement d un sujet atteint de la maladie d Alzheimer et les différentes erreurs possibles durant la réalisation de la tâche, sans se soucier des temps d exécution et de latence. 5.1 Les contraintes liées à la mémoire de travail Des études sur des patients atteints de démence de type Alzheimer légère et modérée, révèle que beaucoup d entre eux ont des problèmes de mémoire primaire (ou mémoire des faits récents et de mémoire de travail (Lezak [22]; Becker, 88. Dans le Kitchen Task Assessment, les erreurs que commettent les sujets sont directement liées à l altération de la mémoire de travail, puisque c est elle qui est mise à contribution dans l exécution de la tâche. Or, comme nous l avons présenté dans la théorie de l architecture cognitive ACT-R, la mémoire de travail n a pas de représentation concrète, mais elle est suggérée par le système sub-symbolique. Ainsi, l un de nos principaux soucis de ce travail est de comprendre ce système sub-symbolique, afin de l utiliser pour pouvoir modéliser les déficiences qui sont associées aux troubles de la mémoire de travail dans la maladie d Alzheimer L activation des éléments Dans la mémoire déclarative, l activation des éléments (ou chunks peut être calculée de la manière suivante : Où Ai : activation totale du chunk Bi : activation du niveau de base W: quantité d'activation de la source j n : nombre de slots remplis dans le but Sji: force associative entre la source j et le chunk i (5.1 20