Intelligence artificielle
IA et implants cérébraux : vers une nouvelle étape pour les interfaces neuronales
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Les interfaces cérébrales ne relèvent plus uniquement de la science-fiction. Des systèmes expérimentaux décodent certains signaux du cerveau pour permettre, par exemple, de commander un ordinateur. Ces résultats concernent des tâches et des participants précis, plutôt qu’une lecture générale de toutes les intentions humaines.
Ces systèmes sont appelés interfaces cerveau-ordinateur, ou BCI. Ils établissent une voie de communication entre l’activité cérébrale et un dispositif externe. Neuralink est l’une des entreprises les plus connues de ce domaine et développe une interface implantable.
Bien que les BCI soient étudiées depuis les années 1960, les progrès récents de l’IA ont amélioré le décodage des signaux neuronaux. Ils ont permis des démonstrations pratiques importantes, notamment pour des personnes handicapées, tout en laissant de nombreux défis cliniques et techniques à résoudre.
Applications actuelles et percées
En 2023, une grande partie des recherches sur les BCI implantables se déroulait encore en laboratoire ou dans des essais cliniques. L’IA contribuait toutefois à démontrer leur utilité potentielle chez des personnes handicapées.
Implants cérébraux et IA : aider à communiquer et à commander des mouvements
Environ 1,3 milliard de personnes dans le monde vivent avec un handicap important. Les interfaces assistées par l’IA pourraient répondre à certains besoins de communication ou de mobilité ; elles ne permettent pas d’éliminer toutes les limitations associées à l’ensemble des handicaps.
Dans deux études publiées en août 2023 dans la revue Nature, des équipes de Stanford et de l’Université de Californie à San Francisco ont démontré des interfaces permettant à deux femmes paralysées de communiquer. Les dispositifs décodaient l’activité liée à la tentative de parole ; des modèles informatiques, dont des modèles de langage, contribuaient à produire du texte ou une voix de synthèse. Il ne s’agissait pas du rétablissement de la voix naturelle.
À Stanford, quatre petits réseaux de microélectrodes ont été implantés dans des régions cérébrales liées à la parole chez Pat Bennett, âgée de 68 ans en 2023. Le logiciel convertissait ses tentatives de parole en texte. À l’UCSF, une autre interface, placée à la surface du cerveau, permettait à Ann de produire une voix synthétique et d’animer le visage d’un avatar. Ann avait subi l’accident vasculaire cérébral responsable de sa paralysie à 30 ans : ce n’était pas son âge au moment de l’étude. Les deux travaux ont amélioré la vitesse, le vocabulaire utilisable et la précision par rapport aux systèmes antérieurs.
Combiner IA et microélectronique pour combattre les troubles cérébraux
La stimulation électrique par des implants peut contribuer au traitement de l’épilepsie ou de la maladie de Parkinson en modulant une activité neuronale anormale. À l’Université de Toronto, des ingénieurs électriciens et informaticiens travaillent avec des cliniciens, des neuroscientifiques et des spécialistes des matériaux et des données pour améliorer ces dispositifs. Les travaux décrits portent notamment sur une neuromodulation plus précise et moins énergivore.
L’apprentissage profond sert à repérer des caractéristiques des signaux, dont des biomarqueurs difficiles à détecter autrement, afin de mieux choisir le moment de la stimulation. L’équipe envisage aussi des applications futures aux affections suivantes ; cela ne signifie pas que ces usages soient tous des traitements établis :
- Douleur chronique
- Dépression
- Démence
- Maladie d’Alzheimer
- Troubles du sommeil
Essai humain de Neuralink
En 2023, Neuralink a reçu l’autorisation de la FDA de mener une première étude chez l’humain, puis a annoncé en septembre le début du recrutement après l’approbation du comité d’éthique compétent. L’autorisation d’un essai ne vaut pas autorisation de commercialiser le dispositif. Les préoccupations de sécurité faisaient partie de l’évaluation de ce dispositif expérimental.
L’étude PRIME, pour Precise Robotically Implanted Brain-Computer Interface, recrutait des personnes paralysées après une lésion de la moelle épinière cervicale ou en raison d’une sclérose latérale amyotrophique. La brochure prévoyait environ six ans de participation et de suivi. Un robot devait insérer les fils de l’implant sans fil afin d’évaluer la sécurité du système et sa capacité initiale à permettre la commande d’un ordinateur à partir de signaux cérébraux.
Elon Musk a évoqué des ambitions plus larges, notamment concernant l’autisme, la dépression et la schizophrénie. Ces déclarations ne démontraient pas l’efficacité de Neuralink pour traiter ces affections et ne constituaient pas l’objet de l’essai PRIME. Après les travaux précliniques sur des animaux, l’entreprise recrutait en 2023 des personnes paralysées pour sa première étude humaine.
Avancées technologiques et scientifiques
Au cours des dernières décennies, des recherches révolutionnaires ont été menées dans le domaine des BCI, qui offrent un lien de communication direct entre le cerveau et un ordinateur. Aujourd’hui, l’IA a poussé cela encore plus loin grâce à sa capacité à analyser des données complexes et à générer des sorties semblables à celles humaines.
Les premières interfaces expérimentales de communication étaient lentes et limitées. Les progrès des neurosciences et du calcul ont permis des résultats plus rapides, susceptibles de soutenir de futurs dispositifs destinés à la communication ou à la commande motrice. Les études de parole décrites ici restaient expérimentales ; elles ne prouvaient pas la disponibilité commerciale d’implants restaurant toutes les fonctions sensorielles et motrices.
Ces recherches convertissent les signaux associés à la tentative de parole en texte. Dans l’étude de Stanford, le taux d’erreur sur les mots était de 9,1 % avec un vocabulaire limité à 50 mots, soit 2,7 fois moins d’erreurs que dans une précédente interface de parole comparable. Avec le vocabulaire beaucoup plus large de 125 000 mots, ce taux était de 23,8 %. La vitesse atteignait 62 mots par minute, contre environ 160 pour une conversation naturelle : elle constituait un progrès important, tout en restant nettement inférieure à cette dernière.
Ces travaux de l’essai BrainGate2 utilisaient un réseau de neurones récurrent pour décoder la parole. Une analyse distincte des mêmes données a distingué 33 mouvements orofaciaux avec une précision de 92 %, au moyen d’un classificateur naïf de Bayes. Ce chiffre ne correspond ni à la précision du texte libre ni à celle d’un réseau récurrent reconnaissant tous les mouvements du visage.
Étant donné que décoder le comportement ou l’état cognitif à partir des signaux neuronaux est crucial pour la recherche BCI, l’apprentissage profond est devenu la méthode privilégiée dans de nombreuses tâches d’apprentissage automatique telles que la segmentation d’images et la reconnaissance vocale. Son succès a conduit à son utilisation pour prédire des sorties courantes, y compris le mouvement, la parole et la vision.
Une équipe de l’Université du Texas à Austin a aussi développé un décodeur sémantique non invasif utilisant un modèle de type Transformer, une architecture également employée dans des systèmes comme ChatGPT et, à l’époque, Bard. Les participants écoutaient des récits dans un scanner d’IRM fonctionnelle pendant l’entraînement. Le système pouvait ensuite produire du texte reflétant une partie du sens de nouveaux récits entendus ou imaginés, sans les transcrire fidèlement mot à mot. Il nécessitait un entraînement individuel et la coopération du participant ; il ne constituait pas un lecteur universel de pensées utilisable à l’insu de quelqu’un.
Comme nous l’avons vu ici, l’utilisation de l’IA aide énormément la recherche en neurosciences. Cependant, certaines considérations doivent être prises en compte dans cet espace en évolution rapide.
Considérations éthiques, de confidentialité et de sécurité
Les progrès des interfaces cérébrales et de l’IA ouvrent des perspectives importantes pour les personnes concernées. Leur développement soulève également des questions de sécurité, de confidentialité et de responsabilité.
En termes simples, les systèmes IA sont sujets aux erreurs et aux dysfonctionnements, comme toute autre technologie, ce qui peut entraîner des conséquences potentiellement nocives. Construits sur des algorithmes complexes qui traitent d’énormes quantités de données, les systèmes IA sont également vulnérables aux piratages et aux manipulations. Sans oublier que les données sur lesquelles ils sont entraînés peuvent contenir des biais inhérents menant à des résultats discriminatoires.
L’investissement croissant dans les systèmes analysant l’activité cérébrale et conservant des données neuronales a conduit l’UNESCO, l’Organisation des Nations unies pour l’éducation, la science et la culture, à sonner l’alarme sur les risques pour les droits humains. L’organisation appelait à une gouvernance mondiale de la neurotechnologie. Cela ne signifiait pas que ces systèmes savaient déjà lire librement toutes les pensées.
“La promesse… pourrait avoir un coût élevé en termes de droits humains et de libertés fondamentales, si elle est abusée. La neurotechnologie peut affecter notre identité, notre autonomie, notre vie privée, nos sentiments, nos comportements et notre bien‑être global.”
– Gabriela Ramos, directrice adjointe générale de l’UNESCO pour les sciences sociales et humaines.
En 2023, l’organisation scientifique et culturelle des Nations unies annonçait le développement d’un cadre éthique universel pour la neurotechnologie.
Alors que Ramos s’inquiète du fait que la technologie change « l’essence même de ce que signifie être humain », d’autres comme Mariagrazia Squicciarini, auteure principale d’un rapport UNESCO sur le rythme rapide de l’innovation en neurotechnologie, s’inquiètent de l’ajout de l’IA, qui selon elle place la « neurotechnologie sous stéroïdes ».
Le rapport de l’UNESCO publié en 2023 indiquait que le financement privé annuel des neurotechnologies avait été multiplié par 22 entre 2010 et 2020, pour atteindre 7,3 milliards de dollars en 2020. Il constatait aussi une multiplication par environ 20 des innovations mesurées par les brevets entre 2000 et 2020, une période différente. L’article citait par ailleurs une prévision historique d’un marché des dispositifs dépassant 24 milliards de dollars à l’horizon 2027, et non un chiffre d’affaires déjà réalisé.
L’analyse de données cérébrales par des modèles d’IA renforce l’importance de la confidentialité mentale. Des usages de casques visant à estimer certains états émotionnels de travailleurs ont été rapportés en Chine ; ces estimations ne prouvent pas une lecture fiable et exhaustive des émotions. Aux États-Unis, la recherche financée par l’armée explore notamment les interfaces de commande et certaines applications cognitives ou thérapeutiques.
Des préoccupations éthiques ont également été soulevées concernant l’impact des BCI sur la société. Beaucoup craignent que l’accès sans précédent aux cerveaux des gens ne transforme des possibilités dystopiques en réalité.
Entreprises et organismes actifs dans les interfaces neuronales
Voici plusieurs acteurs des interfaces cérébrales et neuronales. Leurs technologies comprennent des implants, mais aussi des systèmes non invasifs aux fonctions différentes :
1. Neuralink
Fondée par Elon Musk, Neuralink développe des implants sans fil enregistrant l’activité neuronale pour commander des dispositifs externes. L’article de novembre 2023 rapportait une augmentation de financement de 43 millions de dollars, dans le prolongement d’un tour mené par Founders Fund, le fonds cofondé par Peter Thiel.
Une valorisation d’environ cinq milliards de dollars avait été rapportée en juin 2023. Le chiffre d’affaires annuel estimé de 115,7 millions de dollars affiché par Growjo était une estimation tierce, et non des ventes auditées publiées par Neuralink. En novembre 2023, des parlementaires américains ont demandé à la SEC d’enquêter sur les déclarations de l’entreprise concernant les décès d’animaux lors d’essais. L’article indiquait alors que, selon Musk, une commercialisation restait distante de plusieurs années ; il ne s’agissait pas d’un calendrier approuvé.
2. Synchron
Synchron, basée à New York, développe une interface enregistrant des signaux cérébraux depuis un vaisseau sanguin afin de commander un ordinateur. Il s’agit d’une interface de communication et de commande, pas d’une thérapie de neuromodulation. En janvier 2023, les résultats de l’étude SWITCH ont été publiés pour quatre personnes atteintes de paralysie sévère, avec une évaluation de la sécurité et de la faisabilité.
Le dispositif est introduit par voie vasculaire et permet de recueillir des signaux à proximité du cortex. Le suivi de douze mois des quatre participants n’a relevé aucun événement indésirable grave lié au dispositif ; cela ne signifie pas absence de tout effet indésirable ou de tout risque. L’article citait un financement cumulé de 135,7 millions de dollars selon CB Insights, ainsi que le soutien d’investisseurs liés à Jeff Bezos et Bill Gates. Le revenu annuel de 37,3 millions de dollars mentionné par Growjo était une estimation tierce non confirmée par des comptes audités publiés par l’entreprise.
3. Blackrock Neurotech
Cette société privée développe des systèmes de neurotechnologie, dont des interfaces cerveau-ordinateur. En juin 2022, Blackrock Neurotech annonçait 30 000 journées-patients cumulées de recherche avec ses implants. Il ne s’agissait pas de 30 000 jours d’hospitalisation d’une seule personne. Son cofondateur et président Florian Solzbacher estimait alors que la technologie était prête à passer du laboratoire au domicile des patients : cette appréciation de l’entreprise ne constituait pas une autorisation générale de commercialisation.
En 2021, l’entreprise a levé dix millions de dollars auprès notamment de re.Mind Capital, le fonds de Christian Angermayer, de Peter Thiel, de Tim Sievers et du University Venture Fund II de Sorenson Impact.
4. BrainGate
Le consortium de recherche BrainGate a créé un implant cérébral contenant un groupe de 100 électrodes pointues, implantées chirurgicalement dans le cerveau. Son système BCI est conçu pour permettre aux personnes paralysées de contrôler des membres robotiques ou des ordinateurs par la pensée. L’objectif ultime de BrainGate est de restaurer la mobilité, la communication et l’indépendance des personnes atteintes de tétraplégie.
5. Precision Neuroscience
En juin 2023, Precision Neuroscience, cofondée par un ancien cofondateur de Neuralink, a annoncé les premières procédures humaines de son étude de cartographie cérébrale. Son Layer 7 Cortical Interface est une matrice d’électrodes de surface plus fine qu’un cheveu. Ces enregistrements temporaires réalisés pendant des interventions ne démontraient pas encore l’efficacité d’un implant permanent pour un usage quotidien.
En janvier 2023, l’entreprise a levé 41 millions de dollars, portant son financement cumulé à 53 millions en moins de deux ans. Elle développait notamment une approche d’implantation peu invasive par microfente dans le crâne.
6. Kernel
Fondée par Bryan Johnson, la technologie BCI non invasive de l’entreprise s’appelle « Kernel Flow », qui surveille l’activité cérébrale à l’aide de la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge en domaine temporel (TD‑fNIRS).
Kernel Flow est un casque portable de neuro-imagerie multimodale, dont l’installation prend quelques minutes selon l’entreprise. Il associe des mesures optiques de la réponse hémodynamique à des mesures électroencéphalographiques. La composante TD-fNIRS observe des variations d’oxygénation sanguine liées à l’activité cérébrale : elle ne lit pas directement les pensées et ne nécessite pas d’implant.
7. Neurable
Neurable développe des interfaces non invasives fondées sur l’EEG. Ses recherches ont notamment exploré le jeu vidéo et l’interaction homme-machine en réalité augmentée ou virtuelle. Les applications de recherche ou les perspectives cliniques ne doivent pas être confondues avec des traitements médicaux approuvés.
8. CTRL-labs
La startup d’interfaces neuronales non invasives a été acquise en 2019 par Facebook, devenu ensuite Meta. Le prix n’a pas été officiellement communiqué ; les estimations de presse allaient jusqu’à un milliard de dollars. Ses prototypes de bracelet, présentés notamment en 2018, mesurent les signaux électriques des muscles au poignet par électromyographie. L’objectif est de commander des appareils à partir d’intentions de mouvement et de gestes discrets : il ne s’agit pas d’une lecture directe des pensées par un implant cérébral.
Perspectives futures et défis
Les interfaces cérébrales assistées par l’IA sont des outils importants pour les neurosciences. Elles pourraient améliorer certains traitements et dispositifs d’assistance. Les résultats obtenus chez des participants à des essais sont encourageants, mais leur portée varie selon la technologie et l’indication étudiées.
Des recherches financées par la DARPA américaine explorent la détection de signaux associés aux troubles de l’humeur et la stimulation de réseaux cérébraux. Les travaux présentés en 2018 ont notamment étudié le décodage de l’humeur et une stimulation en boucle ouverte, comme étapes vers de futurs systèmes en boucle fermée. Ils ne démontraient pas qu’un implant pouvait, dès 2017, ramener automatiquement tout patient à un état sain sans supervision médicale.
D’autres travaux portent sur la commande de membres prothétiques ou la modulation d’activités neuronales anormales. Le neurofeedback peut fournir un retour en temps réel pour apprendre à modifier certains signaux, avec des résultats dépendant de l’application. Des expériences de communication cerveau-à-cerveau ont aussi été explorées ; elles ne constituent pas des échanges généraux, fluides et directs de pensées.
L’amélioration des capacités cognitives chez des personnes sans besoin thérapeutique est une autre perspective envisagée. Une stimulation ciblée pourrait, en théorie, modifier certaines fonctions liées à l’attention, à la mémoire ou à l’apprentissage. Cela reste une piste de recherche, et non une capacité générale établie des implants assistés par l’IA.
Bien que ces puces offrent de nouvelles voies pour l’augmentation humaine, il est essentiel d’aborder les considérations éthiques liées à l’accessibilité et à la confidentialité.
Selon le sondage du Pew Research Center publié en 2022, 78 % des Américains ne souhaitaient pas d’implant destiné à améliorer leurs capacités cognitives, contre 20 % qui en souhaitaient un. Cette question concernait l’augmentation cognitive, pas tous les usages thérapeutiques. Dans une enquête antérieure, environ deux tiers refusaient déjà une puce améliorant fortement la concentration et le traitement de l’information. Si ces implants devenaient courants, six Américains sur dix estimaient que la plupart des gens se sentiraient poussés à en recevoir un.
Dans ce même contexte d’amélioration cognitive, 52 % des répondants estimaient que le piratage d’informations personnelles se produirait souvent si ces implants devenaient courants. Les modifications cérébrales indésirables et les dysfonctionnements figuraient aussi parmi les préoccupations. Enfin, 83 % souhaitaient des normes d’essai plus élevées que celles appliquées aux dispositifs médicaux, plutôt que les mêmes normes.
Cela montre la nécessité de trouver le bon équilibre pour libérer le potentiel remarquable des puces cérébrales IA tout en protégeant la santé, la sécurité et les valeurs fondamentales des individus et de la société dans son ensemble.
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Conclusion
L’association des interfaces cerveau-ordinateur et de l’IA, notamment des modèles de langage, améliore le traitement des signaux neuronaux. Des démonstrations ont permis à certaines personnes paralysées de communiquer ou de commander des dispositifs externes. Elles ne constituent pas une lecture générale de toutes les pensées ni une restauration complète de toutes les capacités motrices.
Le potentiel de ces technologies est important, mais leur sécurité, la confidentialité des données et leurs implications éthiques exigent un suivi attentif. Des essais rigoureux, des informations transparentes et une surveillance continue sont nécessaires pour évaluer leurs bénéfices et leurs risques.
Dans l’ensemble, les applications potentielles des puces cérébrales alimentées par l’IA sont vastes, et leurs implications sont profondes.
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