Le gouvernement recherche une interface cerveau-ordinateur haute fidélité

Konrad Kording a vu l'avenir des neurosciences et il le trouve déprimant.

Il y a quelques années, Kording, un scientifique des données de la Northwestern University qui s'intéresse aux neurosciences, a décidé d'examiner combien de neurones les scientifiques avaient enregistrés simultanément dans le cerveau d'un animal vivant. L'enregistrement du bavardage électrique des neurones est quelque chose que nous devrons faire beaucoup plus si nous voulons comprendre la conscience ou développer des moyens de restaurer le mouvement des individus paralysés.

Le résultat était un 2011 Neurosciences naturelles article détaillant la loi de Stevenson - ainsi nommé en l'honneur de l'étudiant diplômé et premier auteur Ian Stevenson. Semblable à la loi de Moore, qui prédit un doublement de la puissance de calcul tous les deux ans, la loi de Stevenson a également documenté une croissance exponentielle du nombre de neurones que les scientifiques ont pu enregistrer à un moment donné. Pourtant, alors que tout le monde est heureux et impressionné par la loi de Moore, Kording dit que tout le monde dans les neurosciences veut voir la loi de Stevenson mourir.

Une image microscopique des capteurs de calcium (vert), des noyaux des neurones (rouge) et des cellules de soutien appelées astrocytes.

La raison en est que chacun de nous possède environ 80 milliards de neurones dans son cerveau. Pourtant, ce que les données ont montré, c'est qu'à partir des années 1920, lorsque les scientifiques ont écouté pour la première fois les pics électriques d'un seul neurone, ils n'avaient doublé le nombre que tous les sept ans, pour atteindre environ 500 à la fois. À ce rythme, dit Kording, nous serons tous morts avant de pouvoir enregistrer ne serait-ce qu'une partie du cerveau d'une souris. Ce n'est pas cool.

Cette semaine, des dizaines de neuroscientifiques se rendront à Arlington, en Virginie, pour discuter de la manière dont ils pourraient enfreindre la loi de Stevenson. Le tirage au sort est un symposium énonçant les exigences d'un nouveau programme du ministère de la Défense appelé Neural Engineering System Design, qui distribuera 60 millions de dollars dans le cadre de l'initiative BRAIN du président Obama. L'objectif : développer des technologies capables d'enregistrer simultanément un million de neurones en seulement quatre ans.

Mais ce n'est qu'un début. La DARPA, l'agence qui administre le programme, souhaite également un appareil capable de stimuler au moins 100 000 neurones dans le cerveau. Il doit être sans fil et tout appareil électronique doit tenir dans un boîtier pas beaucoup plus grand qu'un sou. Enfin, les chercheurs doivent satisfaire aux exigences de sécurité nécessaires pour mener des études sur des sujets humains, ce qui nécessite une exemption de dispositif expérimental de la part de la Food and Drug Administration des États-Unis.

Michael Roukes, professeur de physique et de bio-ingénierie à Caltech, qualifie le calendrier d'extrêmement agressif. La tendance de l'agence à se fixer des objectifs ambitieux qui ne sont pas toujours atteints est connue sous le nom de DARPA crazy.

Mais je comprends le modèle, dit-il. Prenons un coup de lune, non?

L'objectif du projet ne surprend pas Roukes. L'objectif déclaré de l'initiative BRAIN (voir Why Obama's Brain-Mapping Project Matters ) est de développer des moyens de lire - et d'écrire - les ensembles à grande échelle de cellules cérébrales qui composent les circuits du cerveau et travaillent ensemble pour nous laisser percevoir et réagir au monde. Pour ce faire, il est clair que le matériel des neurosciences a besoin d'une mise à niveau majeure.

Le plus important est de développer la technologie pour prendre un circuit neuronal complet – disons le cerveau d'un petit animal ou un morceau de cortex d'une souris ou d'un humain, et enregistrer à partir de chaque neurone là-bas, explique Rafael Yuste, neuroscientifique à l'Université de Columbia. Yuste dit que la plupart des scientifiques utilisent encore des enregistrements dans lesquels les gens collent ces électrodes et enregistrent l'activité d'un neurone chez un animal ou un patient. Imaginez simplement que vous essayez d'analyser un orchestre [en écoutant] ce qu'un seul instrument joue.

Les enregistrements d'enregistrement actuels sont détenus par des équipes qui tentent de développer des interfaces cerveau-machine pour les personnes paralysées, une technologie qui intéresse également la DARPA. Des équipes de l'Université Brown et de l'Université de Pittsburgh, entre autres, ont réussi à utiliser des réseaux d'aiguilles de silicium pointues pour enregistrer entre 200 et 300 neurones à la fois dans le cerveau de volontaires. C'est suffisant pour lire à peu près à quels mouvements de bras et de main une personne pense, et utiliser le signal pour déplacer un bras robotique (voir L'expérience de pensée) ou diriger un fauteuil roulant.

Vous voyez des bras robotiques être déplacés aujourd'hui, déclare Jonathan Wolpaw, un expert des interfaces cerveau-ordinateur au Wadsworth Center du ministère de la Santé de New York. Mais ce n'est pas quelque chose qui est prêt à sortir du laboratoire. Il n'y a pas de BCI que vous voudriez maintenant utiliser pour contrôler un fauteuil roulant au bord d'une falaise ou pour conduire dans une circulation dense.

L'une des raisons pour lesquelles les neuroscientifiques sont certains que de plus grands ensembles de neurones détiennent des réponses est que le neurone moyen augmente, au plus, quelques fois par seconde. Pourtant, le mouvement repose sur des ajustements qui se produisent sur une échelle de temps au moins 10 fois plus rapide. Cela signifie qu'aucun neurone ne peut contenir les informations nécessaires pour coder les subtilités d'un mouvement de danse ou jouer du piano. Le mouvement est réparti sur plusieurs millions de neurones dans plusieurs zones du cerveau, explique Kording. Nous avons besoin d'au moins 1 000 fois plus de neurones pour une prothèse géniale, selon mon estimation.

Une stratégie pour y parvenir consiste à réduire la taille des électrodes afin que les bioingénieurs puissent en enfoncer davantage dans le cerveau à la fois. Cette approche est adoptée à l'Université Duke, explique Mikhail A. Lebedev, chercheur principal dans un groupe qui revendique actuellement plusieurs enregistrements d'enregistrement neuronal chez des singes, lisant environ 500 neurones à la fois, qu'il a gérés en insérant minutieusement des faisceaux d'électrodes fines. dans le cerveau d'un singe.

D'autres pensent que des approches complètement nouvelles sont nécessaires. À l'Université de Californie à Berkeley, des chercheurs explorent la poussière neurale constituée de capteurs microscopiques flottant librement qui pourraient se propager dans le cerveau. Les techniques optiques sont également prometteuses. En 2013, Misha Ahrens, un neuroscientifique du campus Janelia Farms de l'Institut médical Howard Hughes, a montré qu'il pouvait enregistrer à partir de 100 000 neurones - pratiquement tout le cerveau d'un poisson zèbre - en les modifiant génétiquement pour qu'ils brillent après le déclenchement. Ahrens dit que regarder autant de neurones à la fois génère déjà quelques surprises. Vous pouvez trouver des domaines pertinents pour le comportement où vous ne regarderiez pas autrement, dit-il.

La réussite d'Ahrens ne compte pas pour l'objectif de la DARPA, ni pour déchiffrer la loi de Stevenson, car sa méthode ne capte pas les pics électriques des neurones exactement au moment où ils se produisent. En effet, les molécules incandescentes sont déclenchées par des changements dans les concentrations de calcium qui se produisent à l'intérieur d'une cellule uniquement après son déclenchement. Roukes, le scientifique de Caltech, affirme que les chercheurs travaillent déjà au développement de molécules fluorescentes qui répondent directement aux changements de tension.

Un problème différent est que, contrairement au poisson zèbre, qui est fondamentalement translucide, le cerveau humain a une consistance laiteuse difficile à voir. Pour faire face à cela, dit Roukes, il peut être possible de faire glisser des tiges de silicium ultra-étroites dans tout le cerveau. Ceux-ci contiendraient le matériel nécessaire à la fois pour émettre de la lumière et pour la détecter à partir des cellules voisines, contournant ainsi le problème de l'opacité du cerveau. Si suffisamment de ces piliers étaient utilisés, le cerveau entier pourrait être illuminé, calcule Roukes.

Bien que les techniques optiques soient prometteuses, la FDA pourrait être réticente à laisser les scientifiques modifier génétiquement le cerveau des volontaires pour qu'il brille. Roukes dit qu'en conséquence, lui et ses collaborateurs prévoient de présenter à la DARPA une proposition plus conventionnelle qui repose toujours sur des électrodes plus conventionnelles.

La DARPA a des raisons d'insister pour que tout système d'enregistrement soit essayé chez l'homme. L'agence espère que cet objectif suscitera l'intérêt des entreprises de dispositifs médicaux ainsi que des fabricants de semi-conducteurs et d'instruments optiques. Sans la participation de l'industrie, il y a peu de chances d'améliorer les interfaces cerveau-machine aussi rapidement que les ordinateurs.

En essayant d'introduire cela chez l'homme, ils pourront peut-être obtenir des éléments technologiques qui n'ont pas été utilisés dans les expérimentations animales, car il n'y a pas eu autant de moteur économique pour cela, déclare Adam Marblestone, neuroscientifique au MIT. . Il espère voir une ingénierie vraiment sérieuse qui manque aux expériences académiques.

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