Fusion Esprit-Machine

Ted Berger est un lecteur d'esprit. L'esprit des rats, c'est-à-dire. Dans son laboratoire de l'Université de Californie du Sud, le neurobiologiste place un petit réseau d'électrodes sur une tranche de cerveau de rat dans une boîte de Pétri. En appuyant sur un interrupteur, l'étudiant diplômé Walid Soussou lance le flux de signaux électriques dans les tissus. Les cellules du cerveau réagissent en générant leurs propres impulsions électriques. Ce motif tourbillonnant de signaux neuronaux est capté par les électrodes et apparaît sur un écran d'ordinateur à proximité sous la forme d'un lavis de couleurs allant du rouge brillant au bleu foncé.

Au cours des prochaines heures, Berger et son équipe cartographieront les circuits derrière l'une des fonctions les plus complexes du cerveau : la mémoire. C'est de la recherche fondamentale, mais ils le font avec un grand objectif technologique en tête. Le groupe de Berger vise à utiliser les informations pour construire une interface cerveau-machine avancée - un dispositif qui relie les circuits biologiques d'un cerveau aux circuits de silicium d'un ordinateur - qui changera la façon dont l'esprit pense.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2003

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Ces dernières années, des groupes de recherche à travers le pays ont implanté des électrodes dans le cerveau d'animaux - et même de quelques humains - et ont utilisé des signaux détectés par ces électrodes pour déplacer des bras de robot, des leviers et des curseurs sur des écrans d'ordinateur ( voir Autres recherches cerveau-machine, tableau, dernière page ). L'objectif du travail a été de donner aux patients paralysés la capacité de contrôler des membres prothétiques et des outils de communication simples. Mais l'objectif de Berger est encore plus ambitieux : construire une puce informatique qui restaurera les capacités cognitives du cerveau lui-même, aidant la mémoire chez les patients souffrant de troubles neurologiques tels que la maladie d'Alzheimer et les accidents vasculaires cérébraux et améliorant peut-être à terme les capacités d'esprits sains. . Pour ce faire, les chercheurs doivent comprendre des processus neuronaux qui peuvent être plus compliqués que ceux qui régissent, par exemple, le contrôle d'un bras prothétique. C'est l'un des projets les plus ambitieux de tout le domaine, déclare Christof Koch, expert en calcul et systèmes neuronaux à Caltech.

Aussi audacieuse soit-elle, l'équipe de Berger n'est pas le seul groupe à innover dans ce que les chercheurs appellent parfois les prothèses neurales. Un programme de 24 millions de dollars sur deux ans de la Defense Advanced Research Projects Agency des États-Unis, lancé l'automne dernier, repousse rapidement les limites de la recherche sur l'interface cerveau-machine. Les six projets financés par le programme de la DARPA, dont celui de Berger à l'Université de Californie du Sud, visent à développer des technologies qui non seulement restaureront mais augmenter capacités humaines, déclare Alan Rudolph, directeur de programme de l'initiative DARPA. Cette approche scientifique coordonnée et bien financée pour comprendre comment les esprits et les machines peuvent interagir, dit-il, pourrait avoir des conséquences transformationnelles pour la défense et la société.

L'effort produira une nouvelle génération d'électrodes, de puces informatiques et de logiciels qui pourraient éventuellement équiper les soldats, par exemple, pour contrôler des membres artificiels ultrarapides, piloter des véhicules à distance et guider des robots mobiles dans des environnements dangereux, en utilisant uniquement le pouvoir de leurs pensées. Encore plus remarquable, de tels dispositifs pourraient améliorer la prise de décision, améliorer la mémoire et les compétences cognitives, et même permettre au cerveau d'une personne de communiquer sans fil avec celui d'une autre.

Bien que de telles applications soient aussi spéculatives que spectaculaires, les scientifiques ne les considèrent plus comme de la pure fantaisie. Leur nouvel optimisme est alimenté en partie par une multitude d'avancées récentes dans les neurosciences, le matériel d'interface et le traitement du signal. Et l'afflux d'argent ne fait certainement pas de mal. La DARPA met des ressources beaucoup plus importantes dans la région que jamais auparavant, déclare William Heetderks, directeur du programme de prothèse neuronale aux National Institutes of Health. Et parce que les chercheurs dans ce domaine ne manquent pas d'idées novatrices, ajoute-t-il, le nouveau financement aura un effet énorme.

Télécommande

Parmi les collines de Durham, en Caroline du Nord, Miguel Nicolelis de l'Université Duke tente d'enseigner de nouveaux tours aux vieux singes. Mais d'abord, leur cerveau doit apprendre à écouter.

Au cours des dernières années, Nicolelis et son équipe ont montré que les signaux cérébraux captés par des électrodes implantées dans le cerveau des animaux peuvent fournir un contrôle rudimentaire des bras de robot. Mais il y a un hic : les animaux ne savent pas qu'ils contrôlent quoi que ce soit. Pour arriver au point où les animaux - et éventuellement les humains - peuvent assumer des tâches plus sophistiquées, dit Nicolelis, la communication en temps réel entre l'esprit et la machine doit devenir une voie à double sens.

Ainsi, dans le laboratoire de Nicolelis, un singe rhésus contrôle non seulement le bras d'un robot grâce à des signaux cérébraux captés par des électrodes implantées dans sa tête, il reçoit également un retour du robot - pour l'instant, sous la forme d'un curseur sur un écran qui montre le mouvements du robot. Conservés dans des pièces séparées, le singe et le bras du robot sont reliés par des câbles, un micro-ordinateur et un processeur parallèle. La prochaine étape sera de mettre en œuvre un retour tactile. Lorsque le singe essaie d'utiliser le bras du robot pour saisir une chope de bière en caoutchouc, le bras du robot enverra des signaux pour forcer les transducteurs placés sur le haut du bras de l'animal ; ces moteurs vibreront vigoureusement lorsque la poignée du robot se resserrera. Et finalement, dit Nicolelis, le système pourrait fournir une rétroaction encore plus directe en stimulant électriquement les régions sensorielles du cerveau. L'astuce consiste à donner le bon type de rétroaction afin que le cerveau du singe incorpore le robot comme s'il faisait partie de son propre corps, dit-il.

Une fois qu'ils ont bouclé la boucle de l'interaction cerveau-machine, dit Nicolelis, les chercheurs peuvent commencer à penser de manière réaliste à la conception de systèmes dont les capacités physiques dépassent celles des personnes normales. Un exemple : en contournant les nerfs et les muscles et en connectant directement le cerveau à un membre robotique, dit-il, il serait possible de diviser par six les temps de réaction. Il prédit que de nombreux laboratoires démontreront une telle augmentation des capacités physiques de base au cours des cinq prochaines années.

Alors que Nicolelis s'efforce de reproduire et d'augmenter des capacités quotidiennes telles que la saisie et le levage, des chercheurs de l'Université du Michigan poussent les interfaces cerveau-machine dans de nouveaux domaines de contrôle physique. L'ingénieur biomédical Daryl Kipke et son équipe enseignent à des rats et à des singes comment guider les mouvements d'une flotte de robots mobiles en utilisant uniquement leur esprit. Le retour d'information est important, dit Kipke, car il permet aux animaux d'acquérir de l'expérience en interagissant avec un appareil qui est complètement étranger - dans ce cas, une créature robotique d'un demi-mètre de long et à six pattes nommée RHex (prononcé rex).

Pour l'instant, le robot agile doit être soit programmé pour fonctionner dans une certaine direction, soit dirigé à distance par une liaison sans fil contrôlée manuellement. Mais les interfaces cerveau-machine, selon les chercheurs du Michigan, pourraient permettre un contrôle plus rapide et mieux coordonné. Dans un avenir lointain, les soldats ou le personnel de sauvetage - peut-être à plusieurs endroits - pourraient connecter leur esprit à un ordinateur central pour contrôler une flotte de RHex sur le terrain. Guidés par des impulsions cérébrales, les robots effectueraient des missions de recherche et de sauvetage dans les zones de guerre et les zones sinistrées, tout en envoyant un retour audio, visuel et tactile à leurs contrôleurs. C'est le coup de circuit, dit Kipke.

Bien qu'il faille probablement encore des décennies pour atteindre cet objectif, l'équipe de Kipke y travaille en extrayant des signaux des neurones des zones du cerveau impliquées dans la planification et l'exécution des mouvements. Avec tout le bruit des cellules environnantes, c'est comme essayer d'écouter des conversations spécifiques dans un stade de baseball. D'ici un an, les chercheurs implanteront chirurgicalement des matrices d'électrodes en silicium - chacune n'étant pas plus large qu'un poil - dans le cerveau d'un animal et connecteront chaque matrice à un circuit flexible de faible puissance qui ressemble à un pansement d'un centimètre carré sur le peau de bête. Le circuit accélérera le traitement global des signaux et permettra de les envoyer sans fil à un ordinateur central. Là, un logiciel personnalisé traduira les signaux en mouvements d'un curseur d'ordinateur, que l'animal observera. La prochaine étape, dit Kipke, sera de connecter le curseur au système de contrôle sans fil de RHex afin que lorsque le curseur se déplace vers la gauche, le robot fasse de même.

D'ici l'été, l'équipe du Michigan, en collaboration avec le physiologiste Dan Moran de l'Université de Washington, prévoit de faire naviguer un singe à St. Louis sur RHex à travers un parcours d'obstacles à Ann Arbor, MI. Les signaux de contrôle circuleront via Internet et le singe surveillera une représentation graphique de la position et des mouvements du robot sur un écran. L'objectif global du projet actuel est de tester si de telles interfaces peuvent engager l'utilisation cérébrale des commandes neuronales et de la rétroaction, pour contrôler des appareils de plus en plus distants et complexes. Dans cinq ans, nous saurons si nous pouvons le faire, dit Kipke.

Augmenter la perception

Alors que Nicolelis et Kipke renforcent la capacité du cerveau à contrôler les appareils externes, d'autres membres de l'initiative DARPA visent à manipuler le fonctionnement interne du cerveau, en particulier ceux qui envoient, reçoivent et traitent les images et les sons. En puisant dans les régions visuelles et auditives de l'esprit, les chercheurs testent si ces informations peuvent être transmises entre le cerveau et les ordinateurs pour améliorer la perception et la communication. En cas de succès, les projets pourraient conduire à de nouvelles interfaces étonnantes qui améliorent la capacité des humains à reconnaître les visages, les objets et la parole et à prendre des décisions. Ils pourraient même permettre une communication sans fil de cerveau à cerveau, explique Rudolph de la DARPA.

Avant de pouvoir concevoir de tels systèmes, les chercheurs doivent apprendre à lire les informations du cerveau, ainsi qu'à les écrire, explique Tomaso Poggio, expert en intelligence artificielle au MIT. Poggio et le neurophysiologiste du MIT James DiCarlo, tous deux chercheurs principaux du programme DARPA, travaillent sur la perception visuelle et la reconnaissance d'objets chez les singes rhésus. Les chercheurs présenteront des objets tels que des formes abstraites, des voitures et des animaux sur un écran d'ordinateur. Une expérience possible est basée sur des collaborations antérieures avec le neuroscientifique du MIT Earl Miller : les chercheurs pourraient entraîner un singe à décider si un animal généré par ordinateur sur un écran ressemble plus à un chat ou à un chien ( voir Mind Readout, barre latérale ). Le logiciel brouillerait la ligne, créant, par exemple, une image composée à 60 % de chat et à 40 % de chien. Pendant que le singe prend sa décision, les chercheurs utiliseraient des électrodes implantées pour enregistrer les signaux des neurones du cortex visuel : certaines de ces cellules se déclenchent lorsque le singe voit un chat, d'autres lorsqu'il voit un chien.

Cognition au silicium

De retour à l'Université de Californie du Sud, l'équipe de Berger repousse la frontière la plus éloignée des interfaces cerveau-machine. Une fois qu'ils ont cartographié les modèles de signaux de plusieurs régions du cerveau, les chercheurs prévoient de manipuler la façon dont le cerveau traite l'information et communique avec lui-même, en bref, comment le cerveau pense . Ces travaux pourraient un jour conduire à des prothèses neurales qui restaurent et même améliorent des processus cognitifs tels que la mémoire. Imaginez que vous alliez chez le médecin pour récupérer des souvenirs disparus depuis longtemps ou que vous achetiez du matériel qui affine votre capacité à vous souvenir des noms des personnes.

L'équipe de Berger fait un petit pas vers cette vision en développant une puce informatique qui imite le traitement du signal de l'hippocampe, une région du cerveau en forme de spirale qui joue un rôle déterminant dans l'apprentissage et la formation de souvenirs. Heureusement, le flux d'informations dans l'hippocampe des rats est simple, dit Berger, et le circuit semble similaire, bien que plus compliqué, dans l'hippocampe humain.

Ce qui rend les choses difficiles, c'est que, du moins dans la vision de Berger, la mémoire dans le cerveau est représentée dans les schémas de déclenchement dynamique des neurones, et non dans un arrangement fixe de bits comme celui de la mémoire d'un ordinateur. Si une partie du cerveau ressemble à de la RAM, nous ne l'avons pas encore trouvée, dit Berger. Et les neurones sont intrinsèquement délicats. Pour que l'un d'entre eux se déclenche, le timing est primordial : il peut prendre une combinaison d'impulsions des neurones environnants ou des entrées répétées d'un messager espacées dans le temps.

Pour capturer ces dynamiques, l'équipe de Berger a développé des modèles mathématiques des neurones individuels en question et a commencé à implémenter les modèles dans le matériel. Si le neurone A envoie un modèle particulier d'impulsions au neurone B, explique l'ingénieur biomédical de l'Université de Californie du Sud, Vasilis Marmarelis, le modèle vous indique quel modèle le neurone B enverra au neurone C. Ce n'est pas sexy, dit-il, mais c'est le premier étape d'un très long voyage. À partir de là, les chercheurs placeront des milliers de modèles de neurones sur une puce de silicium de faible puissance.

Plus tard cette année, dit Berger, l'expérience de preuve de principe se déroulera comme ceci : dans une tranche d'hippocampe d'un rat, les scientifiques démontreront que les signaux électriques de la région A sont traités par la région B et envoyés à la région C. Ils va alors retirer les neurones de la région B et montrer que la sortie de la région C est perturbée. Enfin, ils réachemineront les signaux via un prototype de puce à la place de la région B-pour voir si cela complète le circuit et produit le même schéma global de signaux que la tranche saine.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de John MacNeil

Si cela réussit, la prochaine étape consistera à tester la puce sur un animal. D'ici trois ans, le groupe de Berger prévoit de confier son interface à une équipe dirigée par le physiologiste Sam Deadwyler de la Wake Forest University. Deadwyler entraîne des singes à se souvenir des images clipart affichées sur un écran et à sélectionner les images d'une programmation ultérieure. Dans le même temps, il enregistre des signaux provenant de l'hippocampe qui lui permettent d'identifier les neurones importants pour la tâche et même de prédire si le singe choisira correctement. Lorsque l'interface de Berger sera prête, explique Deadwyler, les chercheurs désactiveront temporairement l'hippocampe afin que le primate ne puisse plus effectuer la tâche ; Ensuite, ils brancheront la puce dans la zone affectée pour voir si l'interface peut restaurer les performances du singe.

À terme, Berger et Deadwyler prévoient de déterminer si la puce peut augmenter la mémoire : ils implanteront la puce dans un animal dont l'hippocampe est intact. Avec la puce, le singe peut se souvenir d'une image plus longtemps ou la choisir parmi une plus grande gamme de distractions. À l'avenir, dit Deadwyler, il pourrait être possible de connecter le cerveau d'une personne à du matériel qui prolonge la durée des souvenirs ou qui permet de suivre des quantités toujours croissantes d'informations, comme lorsque vous traversez un aéroport très fréquenté et que vous devez mémoriser un numéro de téléphone pendant quelques secondes. Mais ne vous attendez pas à voir cela de si tôt. Nous sommes loin de nous améliorer sur papier et crayon, déclare Heetderks du NIH.

D'une part, le groupe de Berger est confronté au scepticisme de certains scientifiques qui n'adhèrent pas au principe fondamental selon lequel la mémoire est constituée uniquement de modèles dynamiques d'activité neuronale. Et il fait face à de nombreux défis pratiques auxquels d'autres équipes de recherche en prothèses neurales sont confrontées. Pour l'instant, personne ne sait exactement quels neurones - ou combien - doivent être exploités pour réaliser des dispositifs utiles. Selon l'application, les chercheurs peuvent avoir besoin d'accéder à des milliers de cellules cérébrales à la fois. Et il y a des obstacles de calcul qu'ils doivent surmonter avant que les interfaces puissent traiter des flux massivement parallèles de données neuronales en temps réel.

Mais le plus grand défi technique réside peut-être dans la connexion physique de matériel rigide à des cellules cérébrales délicates et dans le maintien de ces connexions pendant des mois, voire des années, explique John Chapin, physiologiste à l'Université d'État de New York Downstate Medical Center qui a aidé à mettre au point des méthodes pour accéder aux signaux cérébraux au milieu des années 90. Étant donné que les neurones changent continuellement de position et modifient leurs connexions, l'interface doit être flexible, biocompatible et adaptable aux changements des signaux qu'elle reçoit. Dans cet esprit, Rudolph de la DARPA s'efforce de promouvoir une plate-forme d'électrodes standardisée dans l'ensemble de l'initiative afin que chaque équipe ne réinvente pas la roue. Mais c'est plus facile à dire qu'à faire. Les scientifiques préfèrent utiliser les brosses à dents de l'autre plutôt que les électrodes de l'autre, explique Koch de Caltech.

Même si les technologies d'interface fonctionnent, elles pourraient faire face à un long chemin vers l'acceptation. Les patients paralysés soucieux d'améliorer leurs capacités physiques peuvent être disposés à accepter les risques de la chirurgie et à vivre avec du matériel implanté dans leur cerveau, mais la plupart des personnes en bonne santé hésiteraient probablement à cette proposition. En fait, dit Rudolph, nous n'envisageons vraiment pas d'implanter des personnes en bonne santé avec ce genre d'appareils. La clé pour pouvoir restaurer ou augmenter les capacités humaines, dit-il, sera d'accéder aux signaux cérébraux de manière discrète, idéalement, sans fils, électrodes ou chirurgies.

Avant que la DARPA - ou qui que ce soit d'autre, d'ailleurs - n'investisse dans cette prochaine génération de technologie de détection de signaux cérébraux, les chercheurs doivent déterminer si les prothèses neurales seront pratiques dans leurs nouvelles applications. En cas de succès, dit Rudolph, nous aurons semé le travail important pour démontrer que cela peut être fait et - si un outil non invasif peut être trouvé pour extraire les mêmes types d'informations - que l'amélioration des performances humaines peut être envisagée. Et bien que cette vision soit encore dans des années, nos esprits sont peut-être déjà sur la voie d'une nouvelle façon de penser.

Autre recherche cerveau-machine
CHERCHEUR	INSTITUTION	PROJET
Richard Andersen	Caltech	Systèmes d'électrodes pour l'enregistrement des impulsions cérébrales
Niels Birbaumer	Université de Tbingen (Allemagne)	Détecteurs de signaux cérébraux non invasifs
John Donoghue	Université brune et Cybercinétique (Providence, RI)	Des prothèses neurales qui donnent aux patients paralysés le contrôle des ordinateurs
Philippe Kennedy	Signaux neuronaux (Atlanta, Géorgie)	Premiers tests humains d'implants cérébraux pour rétablir la communication chez des patients complètement paralysés
Andrew Schwartz	Université de Pittsburgh	Prothèses neurales qui contrôlent les bras du robot
Harvey Wiggins	Plexon (Dallas, Texas)	Matériel et logiciel pour l'enregistrement et l'analyse des signaux cérébraux

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