Puissance du cerveau

Dans un petit laboratoire de l'Université Brown à Providence, RI, un macaque rhésus est assis sur une chaise face à un écran d'ordinateur, saisissant la poignée d'un appareil qui ressemble beaucoup à la barre d'un voilier. Pour le moment, le singe utilise cet appareil comme s'il s'agissait d'un joystick d'ordinateur pour contrôler un simple jeu vidéo : un point coloré apparaît à l'écran, et l'animal déplace le curseur pour le rencontrer. Une fois que l'animal aura maîtrisé la tâche, les chercheurs de la pièce voisine actionneront un interrupteur et ce seront des signaux provenant directement du cerveau du singe, et non des mouvements du joystick, qui entraîneront le curseur.

Cet exploit étrange est possible parce que les chercheurs, dirigés par le neuroscientifique Brown John Donoghue, ont implanté un petit réseau d'électrodes dans le cerveau du singe. Les électrodes interceptent les signaux des neurones individuels dans le cerveau, et un algorithme informatique spécialement développé traduit ces signaux en trajectoires et vitesses pour le curseur de l'ordinateur. Les ambitions des chercheurs vont cependant bien au-delà des singes qui jouent aux jeux vidéo. Ils espèrent que leur système d'interface cerveau-machine donnera aux patients paralysés par des lésions de la moelle épinière ou des maladies neurodégénératives de nouvelles capacités d'interagir avec le monde qui les entoure, en utilisant rien de plus que le pouvoir de leurs pensées.

Cette histoire faisait partie de notre numéro d'avril 2002

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Donoghue et son équipe ont lancé Cyberkinetics en juin 2001 pour poursuivre cette vision. L'entreprise est l'une des premières à être issue de la recherche sur les interfaces cerveau-machine, jusqu'à présent reléguée principalement à une poignée de laboratoires universitaires à travers le monde ( voir Interfaces cerveau-machine , ENFANTS janvier/février 2001 ). Et bien que beaucoup de développements restent à faire, un système comme Cyberkinetics qui puise directement dans le cerveau pourrait théoriquement donner aux patients paralysés les moyens de contrôler les ordinateurs, les aides robotiques et peut-être même leurs propres muscles. Cyberkinetics vise à commencer à tester cette théorie chez l'homme d'ici la fin de cette année.

Dans les études sur le singe qui ouvriront la voie aux tests humains, la société - qui comprend les cofondateurs Nicholas Hatsopoulos de l'Université de Chicago, Mijail Serruya, étudiant en MD/PhD de Brown et Gerhard Friehs, neurochirurgien à l'hôpital Providence's Rhode Island - se concentre sur la zone du cerveau qui envoie des commandes au bras du singe. Friehs commence par implanter un réseau de quatre millimètres carrés de 100 électrodes dans cette région, qui est située dans la couche la plus externe du cerveau, environ à mi-chemin entre l'oreille et le sommet du crâne. Après la chirurgie, un petit paquet de fils serpente du réseau à travers un trou dans le crâne de l'animal ; ces fils sont branchés sur un ordinateur, alimentant les signaux électriques générés par les neurones tirant près de chaque électrode dans la machine.

Hatsopoulos est assis devant cet ordinateur pendant que le singe branché s'entraîne à un jeu vidéo dans la pièce voisine. L'activité cérébrale captée par le réseau clignote sur l'écran sous la forme d'un fouillis de graphiques hyperkinétiques de type électrocardiogramme ; rendus audibles par les haut-parleurs de l'ordinateur, les signaux cérébraux claquent, crépitent et éclatent comme des Rice Krispies dans du lait. Hatsopoulos monte le son. Je ne me lasse pas d'écouter ça, dit-il. C'est vraiment comme lire dans l'esprit, écouter les cellules du cerveau pendant que le singe pense à quelque chose. Le logiciel de reconnaissance de formes capte les pointes de signal - chacune représentant un seul tir d'un seul neurone - à partir du bruit de fond du cerveau et les met en corrélation avec la position du bras du singe. Ce qui est étonnant, dit Donoghue, c'est que très rapidement, vous pouvez avoir une idée de l'activité des neurones et extraire la trajectoire de la main. En effet, en utilisant seulement trois minutes environ des données de l'exercice du jeu vidéo, l'ordinateur peut construire un modèle capable d'extrapoler les mouvements des bras du singe à partir du seul signal cérébral. Une fois le modèle affiné, l'ordinateur peut utiliser le signal cérébral pour piloter un curseur ou un bras robotique en temps réel.

Ces résultats prometteurs font partie de ce qui a inspiré les chercheurs à lancer Cyberkinetics et à pousser vers les essais cliniques. Nous savons déjà tellement de choses ; maintenant utilisons-le, dit Serruya. Les participants aux premiers tests humains de Cyberkinetics seront des patients enfermés qui, en raison d'une blessure, d'un accident vasculaire cérébral ou d'une maladie neurologique, sont complètement paralysés, incapables même de communiquer sauf par de subtils mouvements oculaires. Dans ces essais initiaux, la société implantera le réseau d'électrodes, fabriqué par Bionic Technologies, basé à Salt Lake City, mais le matériel de traitement du signal et l'alimentation électrique resteront à l'extérieur du corps. Si ces premiers tests humains confirment la promesse des expériences sur les singes, la société prévoit de développer davantage la technologie pour créer un dispositif entièrement implantable.

À ce jour, une seule entreprise a effectué des tests sur l'homme d'un implant d'enregistrement cérébral dans le but d'aider à restaurer la fonction chez des patients paralysés : Atlanta, GA-based Neural Signals. Au lieu d'un réseau d'électrodes, la société implante deux électrodes neurotrophiques - des tubes de verre contenant de minuscules fils et une substance qui encourage les cellules cérébrales à se développer dans les appareils. Le neurologue et fondateur de Neural Signals, Philip Kennedy, a déclaré que les études, commencées en 1997, se déroulent plus lentement qu'il ne l'avait espéré à l'origine, mais que la société devrait avoir des résultats clairs d'ici la fin de l'année. Les chercheurs en cybercinétique pensent cependant que l'implantation de 100 électrodes au lieu de deux rendra leur système plus robuste et lui permettra de recueillir plus d'informations du cerveau.

Bien que les récents travaux sur les interfaces cerveau-machine soient encourageants, certains obstacles importants subsistent, déclare William Heetderks, directeur du programme Neural Prosthesis des National Institutes of Health, qui aide à financer la recherche sur les interfaces cerveau-machine. Le plus gros défi, selon Heetderks, est peut-être de construire une interface entre l'appareil d'enregistrement (un matériel rigide) et le cerveau (une masse molle flottant dans le liquide céphalo-rachidien) qui maintiendra sa position précise pendant des décennies, malgré les petits mouvements du cerveau. . Alors que les appareils de Kennedy et de Donoghue représentent un progrès sur ce front-Kennedy en encourageant les cellules à se développer dans l'appareil et à stabiliser la connexion, Donoghue en saisissant le cerveau comme les crampons de golf agrippent la terre humide-Heetderks pense qu'une combinaison d'approches pourrait finalement être nécessaire . À ce stade, dit Heetderks, les études humaines sont peut-être encore un peu prématurées. Mais évidemment ce n'est qu'un avis.

Greg Licholai, directeur des entreprises et du développement commercial pour la division neurologique de Medtronic, basée à Minneapolis, dans le Minnesota, offre un point de vue différent. C'est vraiment une percée dans l'approche des troubles neurologiques, dit Licholai à propos des efforts de Donoghue. Je ne pense pas qu'il y aura de problème pour recruter des patients, et le système a fait ses preuves dans un modèle animal. Le seul retard potentiel est le temps qu'il leur faut pour rédiger les documents et obtenir l'approbation de la FDA pour ces essais à un stade précoce.

Le directeur commercial et seul employé de Cyberkinetics, Mikhail Shapiro, premier cycle de Brown, aide l'entreprise à rechercher l'équipe de direction et le financement dont elle aura besoin pour mettre de l'ordre dans ces documents et les tests humains en cours. Shapiro et les fondateurs de l'entreprise se rendent tous compte qu'ils seront confrontés à des défis commerciaux et technologiques, mais ils sont également convaincus que, comme le dit Hatsopoulos, ceci est réel. Cela va vraiment aider les gens.

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