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L'armée américaine essaie de lire dans les pensées
Un nouveau programme de recherche de la DARPA développe des interfaces cerveau-ordinateur qui pourraient contrôler des essaims de drones, fonctionnant à la vitesse de la pensée. Et si ça réussit ?
16 octobre 2019
Illustration photo des interfaces soldat et cerveau Enrico Nagel
En août, trois étudiants diplômés de l'Université Carnegie Mellon ont été entassés dans un petit laboratoire au sous-sol sans fenêtre, utilisant un cadre d'imprimante 3D truqué par un jury pour zapper une tranche de cerveau de souris avec de l'électricité.
Le fragment de cerveau, coupé de l'hippocampe, ressemblait à un morceau d'ail finement tranché. Il reposait sur une plate-forme près du centre de l'engin. Un tube étroit baignait la tranche dans une solution de sel, de glucose et d'acides aminés. Cela l'a maintenu en vie, en quelque sorte : les neurones de la tranche ont continué à se déclencher, permettant aux expérimentateurs de collecter des données. Un réseau d'électrodes sous la tranche délivrait les décharges électriques, tandis qu'une sonde métallique en forme de seringue mesurait la réaction des neurones. Des lampes LED lumineuses éclairaient le plat. La configuration, pour utiliser le jargon des membres du laboratoire, était un peu hacky.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2019
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Un moniteur à côté de la plate-forme affichait un stimulus et une réponse : des secousses électriques provenant des électrodes étaient suivies, quelques millisecondes plus tard, par des déclenchements de neurones. Plus tard, les chercheurs placeraient un matériau ayant les mêmes propriétés électriques et optiques qu'un crâne humain entre la tranche et les électrodes, pour voir s'ils pouvaient également stimuler l'hippocampe de la souris à travers le crâne simulé.
Ils faisaient cela parce qu'ils voulaient pouvoir détecter et manipuler les signaux dans le cerveau humain sans avoir à couper le crâne et à toucher les tissus cérébraux délicats. Leur objectif est de développer à terme des interfaces cerveau-ordinateur précises et sensibles qui peuvent être mises et enlevées comme un casque ou un bandeau, sans intervention chirurgicale.
Les crânes humains ont moins d'un centimètre d'épaisseur : l'épaisseur exacte varie d'une personne à l'autre et d'un endroit à l'autre. Ils agissent comme un filtre flou qui diffuse les formes d'onde, qu'il s'agisse de courants électriques, de lumière ou de son. Les neurones du cerveau peuvent être aussi petits que quelques millièmes de millimètre de diamètre et générer des impulsions électriques aussi faibles qu'un vingtième de volt.
L'expérience des étudiants visait à collecter une base de données avec laquelle ils pourraient comparer les résultats d'une nouvelle technique que Pulkit Grover, le chercheur principal de l'équipe, espère développer.
Rien de tel n'est [now] possible, et c'est vraiment difficile à faire, dit Grover. Il co-dirige l'une des six équipes participant au programme de neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération, ou N³, un Un effort de 104 millions de dollars lancé cette année par la Defense Advanced Research Projects Agency , ou DARPA. Alors que l'équipe de Grover manipule des signaux électriques et ultrasonores, d'autres équipes utilisent des techniques optiques ou magnétiques. Si l'une de ces approches réussit, les résultats seront transformateurs.
La chirurgie coûte cher, et la chirurgie pour créer un nouveau type de super-guerrier est éthiquement compliquée. Un appareil de lecture mentale qui ne nécessite aucune intervention chirurgicale ouvrirait un monde de possibilités. Des interfaces cerveau-ordinateur, ou BCI, ont été utilisées pour aider les personnes atteintes de tétraplégie à retrouver un contrôle limité sur leur corps et pour permettre aux vétérans qui ont perdu des membres en Irak et en Afghanistan de contrôler des membres artificiels. N³ est la première tentative sérieuse de l'armée américaine de développer des BCI dans un but plus belliqueux. Travailler avec des drones et des essaims de drones, fonctionner à la vitesse de la pensée plutôt qu'à l'aide d'appareils mécaniques - ces types de choses sont vraiment à quoi servent ces appareils, explique Al Emondi, le directeur de N³.
L'informaticien de l'UCLA Jacques J. Vidal a utilisé pour la première fois le terme interface cerveau-ordinateur au début des années 1970; c'est une de ces expressions, comme l'intelligence artificielle, dont la définition évolue à mesure que les capacités qu'elle décrit se développent. L'électroencéphalographie (EEG), qui enregistre l'activité électrique dans le cerveau à l'aide d'électrodes placées sur le crâne, pourrait être considérée comme la première interface entre le cerveau et les ordinateurs. À la fin des années 1990, des chercheurs de la Case Western Reserve University avaient utilisé l'EEG pour interpréter les ondes cérébrales d'une personne tétraplégique, lui permettant de déplacer un curseur d'ordinateur au moyen d'un fil s'étendant des électrodes sur son cuir chevelu.
Les techniques invasives et non invasives de lecture à partir du cerveau ont progressé depuis lors. Il en va de même pour les appareils qui stimulent le cerveau avec des signaux électriques pour traiter des conditions telles que l'épilepsie. On peut dire que le mécanisme le plus puissant développé à ce jour s'appelle un réseau Utah. Cela ressemble à un petit lit de pointes, environ la moitié de la taille d'un ongle auriculaire au total, qui peut pénétrer une partie donnée du cerveau.
Un jour de 2010, alors qu'il était en vacances dans les Outer Banks de Caroline du Nord, Ian Burkhart a plongé dans l'océan et s'est cogné la tête contre un banc de sable. Il s'est écrasé la moelle épinière et a perdu la fonction du sixième nerf cervical. Il pouvait encore bouger ses bras au niveau de l'épaule et du coude, mais pas ses mains ni ses jambes. La physiothérapie n'a pas beaucoup aidé. Il a demandé à ses médecins du Wexner Medical Center de l'Ohio State University s'ils pouvaient faire quelque chose de plus. Il s'est avéré que Wexner espérait mener une étude avec Battelle, une société de recherche à but non lucratif, pour voir s'ils pouvaient utiliser un réseau de l'Utah pour réanimer les membres d'une personne paralysée.
Alors que l'EEG montre l'activité globale d'innombrables neurones, les matrices Utah peuvent enregistrer les impulsions d'un petit nombre d'entre eux, voire d'un seul. En 2014, les médecins ont implanté un réseau Utah dans la tête de Burkhart. Le réseau a mesuré le champ électrique à 96 endroits à l'intérieur de son cortex moteur, 30 000 fois par seconde. Burkhart est venu au laboratoire plusieurs fois par semaine pendant plus d'un an, et les chercheurs de Battelle ont formé leurs algorithmes de traitement du signal pour capturer ses intentions alors qu'il réfléchissait, ardemment et systématiquement, à la façon dont il bougerait sa main s'il le pouvait.
Un câble épais, relié à un socle sortant du crâne de Burkhart, envoyait les impulsions mesurées par le réseau Utah à un ordinateur. L'ordinateur les a décodés puis a transmis des signaux à un manchon d'électrodes qui couvrait presque son avant-bras droit. La manche a activé ses muscles pour effectuer les mouvements qu'il avait l'intention, comme saisir, soulever et vider une bouteille, ou retirer une carte de crédit de son portefeuille.
Cela a fait de Burkhart l'une des premières personnes à reprendre le contrôle de ses propres muscles grâce à un tel pontage neural. Battelle, une autre des équipes du programme N³, travaille maintenant avec lui pour voir s'ils peuvent obtenir les mêmes résultats sans implant crânien.
Cela signifie proposer non seulement de nouveaux appareils, mais aussi de meilleures techniques de traitement du signal pour donner un sens aux signaux plus faibles et confus qui peuvent être captés de l'extérieur du crâne. C'est pourquoi l'équipe Carnegie Mellon N³ est dirigée par Grover, un ingénieur électricien de formation, pas un neuroscientifique.
Je suis super motivé pour ça, plus que n'importe qui d'autre dans la salle.
Peu de temps après l'arrivée de Grover à Carnegie Mellon, un ami de la faculté de médecine de l'Université de Pittsburgh l'a invité à assister à des réunions cliniques pour les patients épileptiques. Il a commencé à soupçonner que beaucoup plus d'informations sur le cerveau pouvaient être déduites de l'EEG que quiconque ne le croyait - et, inversement, qu'une manipulation intelligente des signaux externes pouvait avoir des effets au plus profond du cerveau. Quelques années plus tard, une équipe dirigée par Edward Boyden au Center for Neurobiological Engineering du MIT a publié un article remarquable qui allait bien au-delà de l'intuition générale de Grover.
Le groupe de Boyden avait appliqué deux signaux électriques, de fréquences élevées mais légèrement différentes, à l'extérieur du crâne. Ceux-ci n'affectaient pas les neurones proches de la surface du cerveau, mais ceux qui se trouvaient plus à l'intérieur. Dans un phénomène connu sous le nom d'interférence constructive, ils se sont combinés pour produire un signal de basse fréquence qui a stimulé le déclenchement des neurones.
Grover et son groupe travaillent maintenant à étendre les résultats de Boyden avec des centaines d'électrodes placées à la surface du crâne, à la fois pour cibler précisément de petites régions à l'intérieur du cerveau et pour orienter le signal afin qu'il puisse passer d'une région du cerveau à un autre pendant que les électrodes restent en place. C'est une idée, dit Grover, que les neuroscientifiques n'auraient probablement pas eue.
Pendant ce temps, au Laboratoire de physique appliquée (APL) de l'Université Johns Hopkins, une autre équipe N³ utilise une approche complètement différente : la lumière proche infrarouge.
La compréhension actuelle est que le tissu neural gonfle et se contracte lorsque les neurones émettent des signaux électriques. Ces signaux sont ce que les scientifiques enregistrent avec l'EEG, un réseau Utah ou d'autres techniques. Dave Blodgett d'APL soutient que le gonflement et la contraction des tissus sont un bon signal d'activité neuronale, et il souhaite construire un système optique capable de mesurer ces changements.
Les techniques du passé ne pouvaient pas capturer de si petits mouvements physiques. Mais Blodgett et son équipe ont déjà montré qu'ils peuvent voir l'activité neuronale d'une souris lorsqu'elle effleure une moustache. Dix millisecondes après un battement de moustache, Blodgett enregistre le déclenchement des neurones correspondants à l'aide de sa technique de mesure optique. (Il y a 1 000 millisecondes dans une seconde et 1 000 microsecondes dans une milliseconde.) Dans le tissu neural exposé, son équipe a enregistré une activité neuronale en 10 microsecondes, aussi rapidement qu'un réseau Utah ou d'autres méthodes électriques.
Le prochain défi est de faire tout cela à travers le crâne. Cela peut sembler impossible : après tout, les crânes ne sont pas transparents à la lumière visible. Mais la lumière proche infrarouge peut traverser les os. L'équipe de Blodgett tire des lasers infrarouges de faible puissance à travers le crâne, puis mesure comment la lumière de ces lasers est diffusée. Il espère que cela leur permettra de déduire quelle activité neuronale a lieu. L'approche est moins bien éprouvée que l'utilisation de signaux électriques, mais ce sont exactement les types de risques que les programmes DARPA sont conçus pour prendre.
De retour à Battelle, Gaurav Sharma développe un nouveau type de nanoparticule capable de traverser la barrière hémato-encéphalique. C'est ce que la DARPA appelle une technique peu invasive. La nanoparticule possède un noyau magnétiquement sensible à l'intérieur d'une coque constituée d'un matériau qui génère de l'électricité lorsqu'une pression est appliquée. Si ces nanoparticules sont soumises à un champ magnétique, le noyau interne exerce une contrainte sur la coque, qui génère alors un petit courant. Un champ magnétique est bien meilleur que la lumière pour voir à travers le crâne, dit Sharma. Différentes bobines magnétiques permettent aux scientifiques de cibler des parties spécifiques du cerveau, et le processus peut être inversé : les courants électriques peuvent être convertis en champs magnétiques afin que les signaux puissent être lus.
Il reste à voir laquelle de ces approches, le cas échéant, réussira. D'autres équipes N³ utilisent diverses combinaisons d'ondes lumineuses, électriques, magnétiques et ultrasonores pour faire entrer et sortir des signaux du cerveau. La science est sans aucun doute passionnante. Mais cette excitation peut masquer à quel point le Pentagone et des entreprises comme Facebook, qui développent également des BCI, sont mal équipés pour répondre à la foule de questions éthiques, juridiques et sociales qu'une BCI non invasive soulève. Comment des essaims de drones contrôlés directement par un cerveau humain pourraient-ils changer la nature de la guerre ? Emondi, le chef de N³, dit que les interfaces neuronales seront utilisées, mais elles sont nécessaires. Mais la nécessité militaire est un critère malléable.
En août, j'ai visité un laboratoire à Battelle où Burkhart avait passé les heures précédentes à réfléchir à une nouvelle manche, équipée de 150 électrodes qui stimulent les muscles de ses bras. Lui et les chercheurs espéraient pouvoir faire fonctionner le manchon sans avoir à compter sur le réseau de l'Utah pour capter les signaux cérébraux.
Ian Burkhart, à gauche, a été paralysé par un accident et travaille avec des chercheurs de Battelle pour développer de meilleures interfaces cerveau-ordinateur.
Burkhart a eu un réseau Utah, illustré à droite, implanté dans son cortex moteur en 2014. Le groupe Battelle essaie maintenant de développer un moyen de lire ses signaux cérébraux sans implant chirurgical.
Si votre moelle épinière a été brisée, penser à bouger votre bras est un travail difficile. Burkhart était fatigué. Il y a une performance graduée : à quel point je pense à quelque chose se traduit par la quantité de mouvement, m'a-t-il dit. Alors qu'avant [l'accident], vous ne pensez pas 'Ouvre ta main' - nous autres, nous prenons juste la bouteille. Mais je suis super motivé pour ça, plus que n'importe qui d'autre dans la salle, a-t-il dit. Burkhart a permis de voir facilement le potentiel de la technologie.
Il m'a dit que depuis qu'il a commencé à travailler avec le réseau de l'Utah, il est devenu plus fort et plus habile même lorsqu'il ne l'utilise pas, à tel point qu'il vit maintenant seul et n'a besoin d'aide que quelques heures par jour. Je parle plus avec mes mains. Je peux garder mon téléphone, dit-il. Si cela devient quelque chose que je peux utiliser tous les jours, je le porterai aussi longtemps que je le pourrai.
Paul Tullis est un écrivain vivant à Amsterdam.