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Des chercheurs démontrent la première utilisation humaine d'une interface cerveau-ordinateur sans fil à large bande passante,
Une percée pour les personnes souffrant de paralysie

Le , par Stan Adkens

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Savoir ce qui se passe dans la tête d'une personne est l'une des questions que beaucoup de chercheurs aimeraient résoudre, surtout si la personne en question est atteinte d'une maladie grave comme une paralysie sévère. Pendant des années, les interfaces cerveau-ordinateur expérimentales utilisées dans les essais cliniques ont nécessité des câbles pour connecter le réseau de capteurs dans le cerveau à des ordinateurs qui décodent les signaux et les utilisent pour piloter des appareils externes. Même s’il existe des expériences sur les animaux avec des dispositifs sans fil, les chercheurs de BrainGate viennent de démontrer la première utilisation humaine d'un émetteur sans fil capable de délivrer des signaux neuronaux à large bande passante.

Les interfaces cerveau-ordinateur (ICM) sont une nouvelle technologie d'assistance émergente capable d'aider les personnes paralysées à saisir à l’écran d'ordinateur ou à contrôler des prothèses robotiques par la seule pensée – en transférant l'intention neurologique du mouvement corporel en action numérique ou robotique. Les ICM utilisées dans les essais cliniques utilisent généralement des câbles encombrants pour se connecter aux réseaux de capteurs dans le cerveau humain, afin que les ordinateurs puissent décoder les signaux neurologiques et les transférer à des dispositifs externes. En effet, les interfaces sans fil négligent la nuance de la fidélité au niveau des neurones individuels. Mais cette situation est sur le point de changer pour de bon.


Selon une étude récente publiée dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering, les participants à l'essai clinique de BrainGate souffrant de tétraplégie – une condition médicale dans laquelle les personnes sont incapables de bouger les parties inférieures et supérieures de leur corps – ont démontré avec succès l'utilisation d'une interface cerveau-ordinateur sans fil intracorticale, via un émetteur sans fil externe.

Les câbles ordinaires ont été remplacés par un petit émetteur d'une longueur maximale d'environ 2 pouces ( 5,08 cm) et d'un poids d'un peu plus de 1,5 once (42 grammes). L'appareil se fixe sur le dessus de la tête du porteur et se connecte à un réseau d'électrodes logé dans le cortex moteur du cerveau via le même port que celui utilisé dans les systèmes antérieurs à forte intensité de câbles.

Une interface cerveau-ordinateur sans fil presque aussi performante qu'une interface filaire

L'étude a porté sur deux patients souffrant de paralysie – un homme de 35 ans et un autre de 63 ans. Ils ont utilisé le système BrainGate équipé d'un émetteur sans fil pour pointer, cliquer et taper avec succès sur un ordinateur tablette normal. Les chercheurs ont prouvé que le nouveau système sans fil transmettait les signaux cérébraux jusqu'à un seul neurone, avec presque la même fidélité que les systèmes câblés, sans sacrifier la vitesse de saisie ou la précision du pointage et du clic.

« Nous avons démontré que ce système sans fil est fonctionnellement équivalent aux systèmes câblés qui ont été la référence en matière de performances ICM pendant des années », a déclaré John Simeral, professeur adjoint d'ingénierie (recherche) à Brown University aux États-Unis, membre du consortium de recherche BrainGate et auteur principal de l'étude. « Les signaux sont enregistrés et transmis avec une fidélité tout à fait similaire, ce qui signifie que nous pouvons utiliser les mêmes algorithmes de décodage que ceux utilisés avec les équipements câblés. La seule différence est que les gens n'ont plus besoin d'être physiquement attachés à notre équipement, ce qui ouvre de nouvelles possibilités en termes d'utilisation du système ».

Bien que des dispositifs sans fil à faible bande passante aient déjà été signalés, il s'agit du premier dispositif à transmettre le spectre complet des signaux enregistrés par un capteur intracortical, l’étude ayant démontré de nouvelles possibilités. Selon les chercheurs, les deux paralysés par des lésions de la moelle épinière ont pu utiliser le système à leur domicile, par opposition au laboratoire où se déroulent la plupart des recherches sur les ICM. Sans être encombrés de câbles, les participants ont pu utiliser le système en continu pendant 24 heures, ce qui a permis aux chercheurs d'obtenir des données de longue durée, y compris pendant leur sommeil.


Il s'agit de la dernière avancée dans le domaine en pleine expansion des technologies d'interface neuronale, qui a attiré des personnalités comme Elon Musk et Facebook. Musk a récemment révélé que sa startup Neuralink a déjà testé une puce sans fil sur le cerveau d'un singe qui lui permet de jouer à des jeux vidéo. Basée à San Francisco, l'équipe de Neuralink, composée d'une centaine de personnes, tente de développer une interface ordinateur-cerveau implémentable.

Dans une interview sur Cluhouse en février, Musk a expliqué que le singe qui joue au jeu vidéo s'est vu implanter une puce sans fil qui lui permet de contrôler une interface électronique uniquement avec son esprit. « Si vous pouvez faire des expériences avec quelque chose qui n'implique pas de fils traversant la peau, cela va améliorer le bien-être des animaux », a déclaré l'année dernière le professeur de neuroscience Andrew Jackson de l'Université de Newcastle.

L’année dernière Musk a déclaré que les premiers essais cliniques humains de Neuralink se concentreront sur les personnes atteintes de paraplégie ou de tétraplégie, résultant d'une lésion de la moelle épinière cervicale. Selon un premier plan, les essais sur l'homme commenceraient jusqu’à la fin de 2020, selon Musk, mais lors de la publication des résultats des tests de Neuralink sur des Truies, Musk n'a plus communiqué de calendrier pour ces traitements.

Dans d’autres tests d’ICM sur des singes, un groupe de chercheurs s’est servi de l'imagerie par ultrasons qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour visualiser l'intérieur du corps. En résumé à leur étude, les chercheurs ont écrit : « Les nouvelles technologies sont essentielles pour comprendre l'activité dynamique des circuits et systèmes neuronaux dans le cerveau. Nous avions démontré qu'une approche peu invasive basée sur les ultrasons peut être utilisée pour détecter les corrélats neuronaux de la planification des mouvements, y compris les directions et les effecteurs ».

Une étape majeure franchie dans les recherches en neurosciences

« L'évolution des ICM intracorticales, qui ne nécessitent plus un câble métallique, mais un émetteur sans fil miniature, est une étape majeure vers l'utilisation fonctionnelle d'interfaces neuronales performantes entièrement implantées », a déclaré Sharlene Flesher, coauteur de l'étude et maintenant ingénieur en matériel chez Apple. « À l'heure où l'on s'efforce de réduire la bande passante transmise tout en préservant la précision du contrôle des dispositifs d'assistance, cette étude pourrait être l'une des rares à capturer toute l'étendue des signaux corticaux pendant de longues périodes, y compris pendant l'utilisation pratique d'une ICM ».

Selon les chercheurs, la nouvelle technologie sans fil porte déjà ses fruits de manière inattendue. Comme les participants peuvent utiliser le dispositif sans fil à leur domicile sans qu'un technicien soit présent pour maintenir la connexion filaire, l'équipe BrainGate a pu poursuivre ses travaux pendant la pandémie de covid-19. BrainGate est un groupe interdisciplinaire de chercheurs des Universités Brown, Stanford et Case Western Reserve, ainsi que du Providence Veterans Affairs Medical Center et du Massachusetts General Hospital.

« En mars 2020, il est apparu clairement que nous ne pourrions pas nous rendre au domicile de nos participants à la recherche », a déclaré Leigh Hochberg, professeur d'ingénierie à Brown, chercheur au Carney Institute for Brain Science de Brown et responsable de l'essai clinique BrainGate. « Mais en formant les soignants à l'établissement de la connexion sans fil, un participant à l'essai a pu utiliser la ICM sans que les membres de notre équipe soient physiquement présents. Donc, non seulement nous avons pu poursuivre nos recherches, mais cette technologie nous a permis de continuer avec toute la bande passante et la fidélité que nous avions auparavant ».

Bien qu'il s'agisse d'un projet précoce, les scientifiques estiment qu'il s'agit d'une étape cruciale vers un point de référence majeur dans la recherche sur les ICM : un système intracortical entièrement implantable permettant de restaurer l'indépendance des personnes qui ont perdu leur capacité naturelle à effectuer des mouvements corporels. Les dispositifs sans fil à faible bande passante existent depuis un certain temps, mais ce nouveau dispositif est le premier à transmettre un spectre complet de signaux, comme c'est généralement le cas pour un capteur intracortical. Avec de tels signaux sans fil à large bande passante, de nouvelles portes s'ouvrent à la recherche clinique et aux neurosciences fondamentales, car les ICM câblées limitent considérablement le potentiel scientifique et thérapeutique.

Source : Rapport d’étude

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