Interfaces cerveau-ordinateur (ICU) : des avancées qui permettent aux personnes handicapées de retrouver leurs capacités et de s'épanouir

Les progrès technologiques sont si rapides que les personnes handicapées peuvent désormais parler, marcher, jouer à des jeux et faire bien d'autres choses en utilisant uniquement leur esprit.

Ce développement a a été conduit par les progrès de la technologie des interfaces cerveau-ordinateur (BCI). Les BCI permettent aux individus de contrôler des appareils externes, tels que des ordinateurs, en utilisant uniquement leurs pensées. Ces interfaces fonctionnent en captant les signaux cérébraux, en les analysant et en les traduisant en commandes qui peuvent être utilisées par l'utilisateur. peut être relayée vers le périphérique de sortie.

Les BCI ont un large éventail d'applications, notamment pour aider les personnes handicapées en rétablissant les fonctions perdues à la suite d'un accident vasculaire cérébral, d'une neurodégénérescence ou d'une lésion de la moelle épinière. En rétablissant des capacités telles que la vision, la parole et la fonction motrice, les BCI démontrent qu'ils peuvent améliorer les capacités humaines.

Selon la façon dont les signaux sont prises du cerveau, l'interface cerveau-ordinateur peut être qualifiée de soit :

1. Invasif, où les électrodes sont directement implantés dans le cortex
2. Semi-invasif, où les électrodes sont placés sur la surface exposée du cerveau
3. Non invasif, où les électrodes sont placés sur le cuir chevelu

Au cours de la dernière décennie, la recherche et le développement de la technologie BCI se sont considérablement développés. Les progrès récents ont permis à des personnes gravement paralysées de communiquer en traduisant les signaux de leur cerveau en texte et de reprendre le contrôle de prothèses ou de leur corps. muscles. Les BCI sont également à l'étude pour améliorer la mémoire, favoriser l'apprentissage et traiter les problèmes de santé mentale.

Avec tant d'activités dans le domaine de l'ICB, nous allons jeter un coup d'œil sur les percées les plus récentes réalisées par les scientifiques et susceptibles d'améliorer de manière significative les capacités humaines. 

Rétablissement de la capacité de parole avec une grande précision

Dans une étude publiée ce mois-ci, des chercheurs ont mis au point un nouvel ICB qui traduit les signaux cérébraux en discours avec une précision de 97%qui est l'un des systèmes les plus précis de son genre.

Les capteurs ont été implantés dans le cerveau de Casey Harrell, un homme de 45 ans qui souffrait de graves troubles de la parole dus à la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Également connue sous le nom de maladie de Lou Gehrig, cette affection neurologique affecte les cellules nerveuses qui contrôlent les mouvements dans l'ensemble du corps et entraîne une perte progressive de la capacité de marcher, de se tenir debout et de parler.

Lorsque Harrell a rejoint l'essai clinique BrainGate, son discours était inintelligible et d'autres personnes devaient l'interpréter pour lui. Cependant, quelques minutes après avoir activé le système BCI, il a été en mesure de communiquer ce qu'il voulait dire.

UC Davis Health a créé cette nouvelle technologie BCI pour les personnes souffrant de troubles neurologiques et incapables de communiquer par la parole. 

Lorsqu'un utilisateur tente de parler, le nouveau système interprète les signaux cérébraux avant de les transformer en texte qui est ensuite "prononcé" à haute voix par l'ordinateur.

"Notre technologie BCI a aidé un homme paralysé à communiquer avec ses amis, sa famille et ses soignants.

- David Brandman, co-auteur principal et co-chercheur principal de l'étude et neurochirurgien à l'UC Davis.

Il a également ajouté que leur expérience a démontré "la neuroprothèse vocale (dispositif) la plus précise jamais rapportée".

Brandman, qui est également professeur adjoint au département de chirurgie neurologique de l'UC Davis et codirecteur du laboratoire de neuroprothèses de l'UC Davis, a implanté le dispositif BCI en juillet de l'année dernière. Quatre réseaux de microélectrodes ont été implantés dans la région du cerveau responsable de la coordination de la parole, le gyrus précentral gauche. Ces réseaux utilisent 256 électrodes corticales pour enregistrer l'activité cérébrale.

Avec ce dispositif, les tentatives des patients de bouger les muscles et de parler sont détectés.

"Nous enregistrons la partie du cerveau qui essaie d'envoyer ces ordres aux muscles. Et nous sommes fondamentalement et nous traduisons ces schémas d'activité cérébrale en phonèmes - comme une syllabe ou une unité de langage - et ensuite les mots qu'ils essaient de dire.."

- Le neuroscientifique Sergey Stavisky, co-chercheur principal de l'étude, professeur adjoint au département de chirurgie neurologique et codirecteur du laboratoire de neuroprothèses de l'Université de Californie à Davis.

La technologie BCI a beaucoup progressé au cours des dernières années, mais les efforts pour permettre la communication ont été lents et sujets à de fréquentes erreurs de mots. Le présent La raison en est que les programmes d'apprentissage automatique qui interprètent les signaux cérébraux nécessitent beaucoup de temps et de données.

Le nouveau système vise à supprimer cet obstacle à la communication qui fait que l'utilisateur a du mal à se faire comprendre de manière cohérente.  

"Notre objectif était de mettre au point un système qui permette à une personne d'être comprise chaque fois qu'elle souhaite s'exprimer.

- Brandman

Le patient a utilisé le système dans le cadre de conversations spontanées et dirigées. Dans les deux cas, le décodage rapide s'est déroulé en temps réel, avec des mises à jour constantes qui lui ont permis de fonctionner avec précision. Les mots décodés ont ensuite été montrés sur un écran et lue à haute voix par l'ordinateur. 

La voix qui l'a lu à haute voix était en fait celle du patient avant qu'il ne soit atteint de la SLA. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un logiciel qui a été formé avec des échantillons audio existants de la voix pré-ALS du patient.

La première session de formation aux données vocales n'a pris qu'une demi-heure au système pour atteindre une précision impressionnante de 99,6% pour un vocabulaire de 50 mots. La session suivante a nécessité 1,4 heure supplémentaire de données d'entraînement pour atteindre une précision de 90,2% pour un vocabulaire de 125 000 mots. En continuant à collecter des données, l'ICB a maintenu une précision de 97,5%.

Selon M. Brandman, cette capacité à décoder correctement ce que dit la personne porteuse de l'implant dans environ 97% des cas est supérieure à celle de nombreuses applications pour smartphone disponibles dans le commerce qui tentent d'interpréter la voix d'une personne.

L'étude a donné lieu à 84 sessions de collecte de données sur une période de 32 semaines. Le patient a utilisé le BCI pour communiquer par chat vidéo et en personne pendant plus de 248 heures. 

Améliorer la communication et la mobilité grâce à des systèmes BCI uniques

L'Université Carnegie Mellon a fait une autre avancée importante au cours des deux derniers mois. capable de réaliser une fonctionnalité BCI bidirectionnelle. Cette réalisation améliore la capacité de l'interface à interpréter les signaux cérébraux et à envoyer un retour d'information sensoriel directement au cerveau. 

Bin He, professeur d'ingénierie biomédicale à l'université, et son groupe ont réussi à intégrer la stimulation par ultrasons focalisés pour réaliser pour la première fois une double communication. 

Dans une étude portant sur 25 sujets humains, l'ICB bidirectionnel a utilisé l'apprentissage automatique pour coder et décoder les ondes cérébrales. Ce développement pourrait améliorer considérablement la qualité du signal et les performances globales de l'ICB non invasif en stimulant des circuits neuronaux ciblés.

Si la technologie BCI non invasive est sûre et bon marché, le fait qu'elle enregistre des signaux sur le cuir chevelu plutôt qu'à l'intérieur du cerveau et la qualité de ces signaux présentent des limites. 

C'est pourquoi le groupe de l'université Carnegie Mellon s'est efforcé d'améliorer l'efficacité des ICB non invasifs. Le présent a conduit à l'utilisation d'approches d'apprentissage profond pour décoder les pensées d'une personne et faciliter le contrôle d'un bras robotisé ou d'un curseur. Dans ses dernières recherches, le groupe a utilisé des ultrasons focalisés pour une neuromodulation de précision non invasive, et les résultats ont montré une augmentation significative des performances de communication de l'ICB basée sur l'EEG.

Les sujets humains de l'étude ont utilisé un BCI speller, qui est une aide visuelle au mouvement couramment utilisée par les personnes qui ne parlent pas pour communiquer et épeler des phrases telles que "Carnegie Mellon".

Dans le cadre de l'étude, les sujets ont porté un casque EEG et ont généré des signaux EEG simplement en regardant des lettres pour épeler les mots qu'ils souhaitaient.

En appliquant un faisceau d'ultrasons focalisés à la zone V5 du cerveau, qui fait partie du cortex visuel, les chercheurs ont pu ont été en mesure d'améliorer la performance de l'ICB non invasif chez les sujets grandement. 

"La BRAIN Initiative a soutenu plus de 60 projets d'échographie depuis sa création. Cette application unique de technologies d'enregistrement et de modulation non invasives élargit la boîte à outils, avec un impact potentiellement évolutif sur l'aide aux personnes vivant avec des troubles de la communication".

- Dr. Grace Hwang, directrice du programme BRAIN Initiative au NIH

Pourtant un autre grand développement a été observée l'année dernière lorsque l'ICB a permis à un homme paralysé, après avoir subi une lésion de la moelle épinière, non seulement de se tenir debout, mais aussi de marcher naturellement. Cette interface cerveau-épine dorsale a remporté le prix Physics World 2023 Breakthrough of the Year (percée de l'année).

Ce système comprenait deux dispositifs entièrement implantables, l'un enregistrant l'activité cérébrale liée au mouvement des jambes et l'autre stimulant électriquement la moelle épinière pour contrôler les muscles des jambes. Le présent a créé un "pont numérique" permettant à une personne paralysée des bras et des jambes de marcher.

Les signaux ECoG du cerveau ont été contrôlés à l'aide d'une grille d'électrodes à 64 canaux intégrée dans un boîtier en titane de la même épaisseur que le crâne.

La technologie a été développée basé sur WIMAGINE, un dispositif médical implantable unique capable d'enregistrer l'activité cérébrale à la surface du cortex. Un algorithme d'IA spécifique a également été développé pour le décodage en temps réel de l'intention de mouvement d'un patient.

Lors de l'essai clinique du dispositif, un homme de 38 ans souffrant d'une lésion incomplète de la moelle épinière cervicale à la suite d'un accident de vélo survenu dix ans plus tôt s'est vu implanter chirurgicalement deux dispositifs dans le cerveau et une sonde à palette sur la moelle épinière lombaire.

Grâce à la BSI, le patient a pu monter des escaliers, franchir des obstacles et se déplacer sur des terrains changeants. En outre, le BSI est resté stable et fiable pendant plus d'un an d'utilisation sans supervision.

Mais qu'en est-il de la sécurité des dispositifs BCI ?

Au milieu de tous ces progrès, de nombreuses préoccupations ont été exprimées concernant le traitement des données neuronales et les menaces de cybersécurité telles que les écoutes cérébrales et les attaques par stimuli trompeurs. Une autre préoccupation majeure concerne le profil de sécurité de l'interface cerveau-ordinateur.

Les BCI invasifs présentent des risques d'infections cérébrales, de lésions tissulaires, de convulsions, de saignements et d'hémorragies. En revanche, les BCI non invasifs peuvent provoquer des maux de tête, une fatigue oculaire et une irritation de la peau à la suite d'une exposition prolongée à des champs électromagnétiques. 

Bien que ces préoccupations soient légitimes, une étude réalisée par des chercheurs de l'université de Brown a analysé près de vingt ans de données de sécurité sur les essais cliniques testant la technologie BrainGate et a constaté un faible taux d'effets indésirables.

Le BrainGate BCI est en cours d'élaboration depuis plus de vingt ans, et la dernière étude en date conclut que sa neurotechnologie devrait continuer à être utilisée dans le monde entier. être évaluée pour son potentiel à aider les personnes paralysées à transformer leurs pensées de mouvement en action réelle et à récupérer la fonction neurologique perdue.

Selon le Dr Leigh R. Hochberg, professeur de sciences du cerveau à Brown et directeur du consortium universitaire BrainGate, qui a dirigé le développement et les essais de la technologie :

"Dans le plus grand essai en cours sur les interfaces cerveau-ordinateur intracorticales, le profil de sécurité provisoire rapporté aujourd'hui soutient la possibilité que ces systèmes puissent devenir des neurotechnologies réparatrices pour les personnes atteintes de paralysie".

Bien que l'ICB intracortical présente un énorme potentiel en matière de mobilité et de rétablissement de la communauté, M. Hochberg a déclaré que pour que ces progrès se traduisent réellement dans les soins aux patients, tout dépend de "si les dispositifs sont accompagnés par un niveau de risque acceptable".

Le rapport sur la sécurité a évalué un peu plus de 12 200 jours de données de sécurité concernant 14 participants à des essais cliniques appartenant à la tranche d'âge 18-75 ans et souffrant de quadriparésie résultant d'une SLA, d'une lésion de la moelle épinière ou d'un accident vasculaire cérébral du tronc cérébral. 

Entre 2004 et 2021, lorsque tous ces patients ont été inscrits dans les essais, 68 événements indésirables liés au dispositif ont été constatés. L'irritation de la peau a été le problème le plus fréquent, survenant dans la petite partie du dispositif.

Six événements indésirables ont été trouvés Les crises d'épilepsie ont été associées à l'intervention chirurgicale. Deux participants ayant des antécédents de lésions cérébrales traumatiques ont souffert de brèves crises d'épilepsie après l'opération, mais elles n'ont pas été associées à la procédure chirurgicale. ont été facilement traitées. 

Bien qu'il s'agisse d'événements indésirables, aucun des événements documentés n'était imprévu. En outre, aucun de ces événements indésirables n'a entraîné d'infection du système nerveux nécessitant le retrait du dispositif ou entraînant une aggravation permanente de l'invalidité.

Si les résultats rassurants du système d'interface neuronale BrainGate en matière de sécurité constituent un grand pas en avant, il reste encore beaucoup à faire, notamment pour s'assurer que les dispositifs sont totalement implantés et disponibles pour les utilisateurs 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

Les entreprises progressent dans le domaine de l'ICB

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel et Emotiv font partie des nombreuses organisations qui travaillent à faire progresser cette technologie et à explorer ses applications dans les secteurs médical, cognitif et du divertissement. 

La majorité de ces entreprises sont des entreprises privéesIl est rare de voir des entreprises publiques progresser dans ce domaine. Celles qui sont cotées en bourse le sont parce qu'elles font partie d'organisations plus importantes. Par exemple, NextMind, qui a mis au point un dispositif BCI non invasif, a été rachetée par Snap Inc. Un autre exemple est celui de Ctrl-labs, une start-up spécialisée dans les interfaces neuronales, qui a été rachetée par Snap Inc. a été acquise par Meta (anciennement Facebook).

Jetons donc un coup d'œil sur quelques grands noms qui sont à l'avant-garde de la technologie BCI :

#1. Neurable 

Neurable est une société de neurotechnologie qui développe des outils alimentés par l'IA pour la traduction des signaux cérébraux et la technologie BCI. En mai 2024, la société a levé $13mln, ce qui porte le total de ses levées de fonds depuis sa fondation à plus de $30mln. Fin 2019, Neurable a levé $6mln lors d'un tour de financement de série A pour aller au-delà des applications VR et développer une BCI non invasive, deux ans après avoir dévoilé le premier jeu VR contrôlé par l'esprit au monde.

Aujourd'hui, grâce à cette nouvelle levée de fonds, l'entreprise vise à rendre sa technologie "accessible à tous", a déclaré son PDG, le Dr Ramses Alcaide :

"Nous donnons aux individus les moyens de comprendre leur vie. propre L'objectif est d'améliorer la santé mentale, d'optimiser les performances humaines et de relever les défis les plus pressants de notre génération en matière de santé".

#2. Neurosciences de précision

Cette entreprise a récemment établi un record mondial pour le nombre d'électrodes, 4 096 au total, placées sur le cerveau humain pour enregistrer des données corticales. Ce résultat a été obtenu dans le cadre des essais de l'interface corticale Layer 7 de Precision Neuroscience. Cette réalisation est attendue pour aider l'entreprise à "comprendre le cerveau de manière beaucoup plus approfondie".

Neurosciences de précision a été fondée par Benjamin Rapoport, un neurochirurgien qui a cofondé Neuralink mais l'a quitté en invoquant des problèmes de sécurité. 

#3. Neuralink

Fondée par Elon Musk, Neuralink est une société privée américaine qui développe des BCI à large bande passante pour traiter les maladies neurologiques et, à terme, améliorer les capacités cognitives humaines. L'entreprise l'accent est mis sur la création de dispositifs implantables qui peut lire et stimuler un grand nombre de neurones.

Tout récemment, la deuxième personne équipée d'une puce cérébrale Neuralink, qui, contrairement à la première, reste entièrement fixée au cerveau, a utilisé l'implant pour jouer au jeu vidéo populaire Counter-Strike 2. La puce a été plantée le mois dernier, et le patient se serait rétabli "en douceur". Le patient avait perdu le contrôle de ses membres à la suite d'une lésion de la moelle épinière. 

Ce développement s'est produit après que le premier patient a eu 85% des électrodes attachées à son cerveau déplacées, bien qu'il ait pu continuer à utiliser l'implant efficacement. L'entreprise a réduit certaines mesures d'atténuation pour éviter ce problème, et aucun retrait de fil n'a été effectué. a été observée jusqu'à présent.

Lors de sa dernière apparition sur le podcast de Lex Fridman, Musk a prédit qu'un humain doté d'un cerveau amélioré par une puce et battant un joueur de jeu vidéo professionnel n'est plus très loin. À propos de l'avenir, M. Musk a également déclaré que l'objectif à long terme de Neuralink est d'améliorer la symbiose entre l'IA et l'homme en renforçant la capacité d'un individu à communiquer à grande échelle.

Conclusion 

La technologie BCI a fait l'objet d'une attention et d'un élan considérables au cours des dernières années, et cette évolution ne montre aucun signe de ralentissement. En fait, de nouveaux records et de nouvelles percées sont constamment enregistrés. en cours de réalisation qui visent non seulement à permettre aux personnes handicapées d'avoir une vie plus enrichissante, mais qui montrent également qu'il est possible d'améliorer les capacités des personnes en bonne santé. 

Bien que la route vers la mise en œuvre de cette technologie soit encore longue, les progrès continus montrent que ce qui relevait autrefois de la science-fiction pourrait bientôt devenir une réalité. 

Cliquez ici pour obtenir une liste des meilleures actions biotechnologiques à surveiller.