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De nouvelles potentialités grâce aux interfaces cerveau-ordinateur

Auteur : Frédéric Hourdeau   Catégorie : Articles

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De petites électrodes placées sur le cerveau permettent aux patients d'interagir avec des ordinateurs ou  de contrôler des  membres robotisés  rien qu’ en réfléchissant à la façon d'exécuter ces actions.

Cette technologie pourrait améliorer la communication et la vie quotidienne d'une personne paralysée ou ayant  perdu la capacité de parler à la suite d'une maladie neuro-dégénérative ou d’un accident vasculaire cérébral.

 

Des chercheurs de l’Université de Washington montré que lorsque les humains utilisent cette technologie - appelée interface cerveau-ordinateur - le cerveau se comporte comme il le fait au moment de remplir des fonctions motrices aussi simples que de taper de la main dans un ballon .

Apprendre à contrôler un bras robotisé ou une prothèse pourrait ainsi devenir tout à fait naturel pour des personnes paralysées.

"Ce que nous voyons, c'est que la pratique améliore ces tâches de façon spectaculaire » a déclaré Rajesh Rao, professeur de science informatique et de génie électronique de l’Université de Washington  et chercheur principalement  impliqué dans l'étude. "Il y a un volume important de mobilisation de ressources cognitives du cerveau au tout début, mais suite au processus d’appropriation et d’apprentissage, ces ressources de base  sont de moins en moins nécessaires et le cerveau se trouve progressivement  libéré."

 

Rao, Jeffrey Ojemann, professeur de chirurgie neurologique et Jérémie Wander, un étudiant en  doctorat de  génie biologique, ont publié le 10 juin leurs résultats en ligne, dans la Revue de l'Académie nationale des sciences .

Dans cette étude, sept personnes atteintes d'épilepsie sévère ont été hospitalisés pour une procédure de suivi qui tente d'identifier l’origine cérébrale des dérèglements.

Après que les chirurgiens aient ouvert la boîte crânienne et placé une feuille mince d'électrodes directement sur le cerveau pour réaliser les observations médicales, les chercheurs ont pu procéder à leurs observations : 

Les patients ont été invités à déplacer le curseur de la souris sur un écran d'ordinateur en n’utilisant que leur pensée pour contrôler le mouvement de ce curseur. Les électrodes placées sur leur cerveau ont enregistré les signaux  commandant le déplacement du curseur et les ont envoyés à un amplificateur et un ordinateur portable pour  y être analysés.

En 40 millisecondes, le calculateur analyse les intentions transmises par le signal de mise à jour et le mouvement du curseur sur l'écran.

Les chercheurs ont constaté que lorsque les patients ont commencé la tâche, beaucoup d'activité cérébrale a été centrée dans le cortex préfrontal, une zone associée à l'apprentissage d'une nouvelle compétence. Mais bien souvent en un peu moins de 10 minutes, l'activité du cerveau frontal diminue et les signaux du cerveau se rapprochent de ceux observés lors d’actions plus automatiques.

"Nous  avons maintenant  un marqueur du cerveau qui montre que le patient a réellement appris une tâche» a déclaré Ojemann. «Une fois  le signal  éteint, on peut supposer que la personne a appris ».

Bien que les chercheurs ont démontré le succès dans l'utilisation d'interfaces cerveau-ordinateur chez les singes et les humains, c'est la première étude qui trace clairement les signaux neurologiques dans le cerveau. Les chercheurs ont été surpris de voir combien les parties du cerveau étaient impliquées.

«Nous avons maintenant une vue à plus grande échelle de ce qui se passe dans le cerveau d'un sujet pour apprendre une tâche», a déclaré Rao. « Le résultat surprenant est que même si seulement une population très localisée de cellules est utilisée dans l'interface cerveau-ordinateur, le cerveau mobilise de nombreux autres moyens qui ne sont pas directement impliqués pour faire le travail ».

 

Plusieurs types d'interfaces cerveau-ordinateur sont développés et testés. Le procédé le moins invasif est un dispositif placé sur la tête d'une personne qui peut détecter les faibles signaux électriques de l'activité cérébrale.

Des jeux basiques utilisant cette technologie, type casque, sont déjà sur le marché, mais cette technologie n'est pas encore très fiable car les signaux de mouvements musculaires et oculaires interfèrent trop.

Une alternative plus invasive consiste à placer chirurgicalement des électrodes à l'intérieur du tissu cérébral lui-même  pour enregistrer l'activité de chaque  neurone.

Des chercheurs de la Brown University et de l'Université de Pittsburgh ont démontré que des  patients, incapables de bouger les bras ou les jambes, ont appris à contrôler des bras robotiques en utilisant les signaux  directement à partir de leur cerveau.

L'équipe de l’Université de Washington  a testé des électrodes sur la surface du cerveau sous de la boîte crânienne. Cela permet aux chercheurs d'enregistrer les signaux du cerveau à des fréquences plus élevées et avec moins d'interférences que les mesures sur le  cuir chevelu. Un appareil pourrait être construit  à l’avenir pour rester à l'intérieur dans  le crâne  d'une personne pour un temps plus long afin d’ être en mesure de contrôler les curseurs informatiques ou des membres robotiques dans la vie courante.

«Il s'agit d'une orientation sur la façon dont nous pouvons améliorer les dispositifs et les rendre plus utiles aux gens », a déclaré Wander. «Si nous avons une meilleure compréhension de la façon avec laquelle quelqu'un apprend à utiliser ces dispositifs, nous pourrons alors progresser dans les applications ».

L'équipe de recherche, aidée par  le Centre de recherche en ingénierie de la National Science Foundation’s Engineering  for Sensorimotor Neural Engineering dont le siège est à l'Université de Washington poursuivra le développement de ces technologies.