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Monkey pense que le robot passe à l'action
Dans une démonstration spectaculaire du potentiel des bras prothétiques, un singe de l'Université de Pittsburgh a pu utiliser son cerveau pour contrôler directement un bras robotique et se nourrir d'une guimauve. La recherche, publiée aujourd'hui dans la revue La nature , est le premier à montrer qu'une interface qui convertit les signaux cérébraux directement en action est suffisamment sophistiquée pour remplir une fonction pratique : manger. Les chercheurs qui ont dirigé les travaux viennent de commencer les tests humains d'une technologie connexe.
Puissance du cerveau : Un singe avec une série de minuscules électrodes implantées dans son cerveau utilise ses pensées pour contrôler un bras robotique, attrapant un morceau de guimauve et le portant à sa bouche. Les scientifiques espèrent finalement que ce type d'interface cerveau-machine aidera les personnes paralysées à effectuer des tâches quotidiennes, comme se nourrir ou se brosser les cheveux.
C'est la première fois qu'un singe - ou un humain - contrôle directement, avec son cerveau, un vrai bras prothétique, dit Krishna Shenoy , un neuroscientifique de l'Université de Stanford qui n'a pas participé à la recherche.
Les personnes qui souffrent d'accidents vasculaires cérébraux ou de lésions de la moelle épinière, ou de certaines maladies neurodégénératives, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), restent souvent paralysées. Mais leurs cortex cérébraux – les parties du cerveau qui contrôlent les mouvements, la planification et d'autres fonctions – peuvent rester en grande partie intacts. Les scientifiques espèrent tirer parti de cela avec le développement d'interfaces cerveau-machine - des dispositifs qui convertissent l'activité cérébrale en action, comme le mouvement d'un curseur sur un écran d'ordinateur.
Les personnes complètement paralysées peuvent désormais utiliser des interfaces cerveau-machine qui mesurent de manière non invasive les signaux enregistrés à partir de la surface du cuir chevelu, mais les appareils sont lents et nécessitent une concentration soutenue pour fonctionner. Pour créer une prothèse qui fonctionne comme un vrai bras – l'utilisateur pense à bouger son bras, et il bouge – nécessitera très probablement que l'activité électrique soit enregistrée directement à partir du cerveau.
Multimédia
Regardez le singe utiliser le bras robotique pour se nourrir.
Regardez le singe manipuler le bras robotique pour qu'il puisse lécher la main robotique.
Cela est devenu possible ces dernières années, grâce aux progrès réalisés dans les minuscules réseaux d'électrodes utilisés pour enregistrer les signaux neuronaux. Dans des recherches antérieures, John Donoghue et ses collègues de l'Université Brown ont montré que des électrodes implantées dans le cerveau d'un homme paralysé pouvaient être utilisées pour déplacer un curseur sur un écran d'ordinateur et même effectuer un simple mouvement avec un bras robotique. Mais cette recherche et d'autres ont été limitées à des mouvements unidimensionnels ou bidimensionnels et, à part quelques cas utilisant un bras mécanique ou une pince, ont été effectuées virtuellement, sur un écran.
Dans les dernières recherches, dirigées par un neuroscientifique Andrew Schwartz à l'Université de Pittsburgh, le singe a pu effectuer une tâche plus compliquée. Andy a fait un pas de plus vers un appareil pratique qui pourrait être utile dans le monde réel, dit Jean Kalaska , neuroscientifique à l'Université de Montréal, au Canada, qui a écrit un commentaire accompagnant la publication. L'animal peut simplement, par une sorte de pratique mentale, faire avancer le robot vers l'endroit où se trouve la [nourriture], fermer la main, la ramener à la bouche et le laisser la manger.
Pour réaliser l'exploit, deux singes ont fait implanter une grille de microélectrodes dans le cortex moteur, une partie du cerveau qui contrôle la planification et l'exécution motrices. Les animaux avaient déjà été entraînés à déplacer un bras robotique anthropomorphe, avec des articulations mobiles au niveau de l'épaule, du coude et du poignet, à l'aide d'un joystick. Pour apprendre à contrôler la prothèse avec leur esprit, les singes avaient les bras temporairement immobilisés alors qu'ils regardaient un ordinateur déplacer le bras à travers les mouvements requis - pour étendre le bras vers le morceau de nourriture, le saisir, l'amener à la bouche, et Publiez-le. Ils s'imaginent faire la tâche, comme les athlètes le font pour le sport, dit Schwartz. Les neurones sont actifs lorsqu'ils observent le mouvement, puis nous pouvons capturer les [signaux neuronaux] et les utiliser pour notre propre contrôle.
Schwartz et son équipe ont utilisé des algorithmes relativement simples pour décoder les modèles d'activité neuronale enregistrés pendant la phase d'observation, puis ont utilisé ces informations pour contrôler le bras robotique en temps réel. (Les scientifiques peuvent déduire à la fois la direction et la vitesse d'un mouvement prévu de l'activité d'ensembles de neurones dans le cortex moteur : l'activité de collections spécifiques de cellules indique la direction, tandis que l'amplitude du signal global dicte la vitesse.)
Après seulement deux jours d'entraînement, les singes ont appris à contrôler le bras en trois dimensions et à contrôler la pince placée au bout qui fait office de main. Les animaux ont même appris à utiliser le bras d'une manière dont ils n'avaient pas été entraînés : une vidéo d'accompagnement montre un animal utilisant le bras pour pousser un morceau de nourriture dans sa bouche. Dans une deuxième vidéo, le singe ramène la pince à sa bouche et la lèche, ignorant un autre morceau de nourriture. Il maîtrise tellement l'outil qu'il peut le considérer comme faisant partie de son propre corps, dit Schwartz. Il compare le processus de formation à l'apprentissage de l'utilisation d'une souris pour contrôler un curseur d'ordinateur. Après une certaine période d'apprentissage, vous ne pensez pas à la façon dont vous devez activer un muscle dans un index pour appuyer sur le bouton gauche de la souris, dit-il. De cette façon, vous avez incorporé le curseur à l'écran.
Schwartz et ses collaborateurs testent maintenant la technologie chez l'homme. Le premier test, commencé la semaine dernière, concerne un patient épileptique qui subit un test de diagnostic, connu sous le nom d'électrocorticographie, dans lequel des électrodes sont placées chirurgicalement à la surface du cerveau pour tenter d'identifier la source des crises. Les électrodes de surface sont plus précises que les enregistrements non invasifs du cuir chevelu et sont moins invasives que les électrodes implantées dans le cerveau, bien qu'elles offrent un niveau de contrôle plus grossier. Les scientifiques se grefferont sur ce test de diagnostic et essaieront d'utiliser les signaux enregistrés par les électrodes pour contrôler un programme informatique.
En cas de succès, les chercheurs commenceront à tester la technologie chez des patients atteints de SLA. Aux stades terminaux de cette maladie, les patients sont complètement paralysés; un programme informatique contrôlé par le cerveau pourrait les aider à faire des choses de base, comme écrire un e-mail. Nous pensons que cela pourrait leur donner un moyen de communiquer avec les autres plus rapidement que les méthodes existantes, explique Schwartz. Nous espérons pouvoir créer une interface pour une vitesse de frappe modérée, environ 30 à 40 mots par minute.
Les chercheurs visent à tester des électrodes entièrement implantées, comme celles utilisées chez le singe pour contrôler le bras robotique, chez l'homme au cours des deux prochaines années. Avec les humains, je m'attends à obtenir un bien meilleur contrôle, dit Schwartz. En plus d'être plus faciles à entraîner, les humains peuvent, espérons-le, expliquer ce qui est difficile ou doit être amélioré, dit-il.
Même si ces tests sont concluants, des obstacles importants subsistent avant que de tels dispositifs puissent être utilisés en routine chez les patients. Les électrodes actuellement utilisées ne sont pas idéales pour un enregistrement à long terme : les signaux se dégradent avec le temps. Et l'ensemble du système devra finalement être rendu portable et sans fil, ou au moins convivial. Nous devons rendre les choses suffisamment faciles pour que les patients puissent s'entraîner quand ils le souhaitent, plutôt que de demander à un technicien de venir à la maison et de mettre en place un équipement compliqué, explique Schwartz. Nous espérons qu'il y aura une amélioration des réseaux d'électrodes, des revêtements bioactifs à la télémétrie. Dans deux ans, cela devrait être en grande partie en place.