Des percées dans les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) permettant aux personnes handicapées de restaurer leurs capacités et de s'épanouir

Les progrès technologiques progressent à un rythme si rapide que les personnes handicapées peuvent désormais parler, marcher, jouer à des jeux et bien plus encore en utilisant uniquement leur esprit.

Cette évolution a été conduit by progrès dans la technologie de l’interface 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 acquérant des signaux cérébraux, en les analysant et en les traduisant en commandes qui peut être relayé au périphérique de sortie.

Les BCI ont un large éventail d'applications, notamment l'aide aux personnes handicapées en rétablissant les fonctions perdues en raison de conditions telles que les accidents vasculaires cérébraux, la neurodégénérescence et les lésions de la moelle épinière. En rétablissant des capacités telles que la vision, la parole et la fonction motrice, les BCI démontrent le potentiel d'amélioration des capacités humaines.

Selon la manière dont les signaux sont pris du cerveau, l'interface cerveau-ordinateur peut être appelé soit:

1. Invasif, où les électrodes sont directement implantés dans le cortex
2. Semi-invasif, où 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 dans le domaine de la technologie BCI se sont considérablement développés. Des progrès récents ont permis aux personnes atteintes de paralysie sévère de communiquer en traduisant leurs signaux cérébraux en texte et de reprendre le contrôle de leurs membres prothétiques ou de leurs muscles. Les BCI sont également en cours d'exploration pour améliorer la mémoire, améliorer l’apprentissage et résoudre les problèmes de santé mentale.

Avec tout ce qui se passe dans le domaine de la BCI, jetez un oeil à les percées les plus récentes réalisées par des scientifiques et susceptibles d’améliorer considérablement les capacités humaines. 

Restaurer la capacité vocale avec une grande précision

Dans une étude publiée ce mois-ci, des chercheurs ont développé un nouveau BCI qui traduit les signaux cérébraux dans la parole avec une précision pouvant atteindre 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 souffrant de troubles graves de la parole dus à la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Également appelée maladie de Charcot, cette maladie neurologique affecte les cellules nerveuses qui contrôlent les mouvements du corps et entraîne une perte progressive de la capacité à marcher, à se tenir debout et à parler.

Lorsque Harrell a rejoint l’essai clinique BrainGate, son discours était inintelligible et d’autres ont dû l’aider à l’interpréter. Cependant, quelques minutes après avoir activé le système BCI, il a pu communiquer le discours qu'il envisageait.

UC Davis Health a créé cette nouvelle technologie BCI pour les personnes souffrant de troubles neurologiques 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 voix haute 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-investigateur principal de l’étude et neurochirurgien à l’UC Davis

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

Brandman, 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 dernier. Quatre réseaux de microélectrodes ont été implantés dans la région cérébrale responsable de la coordination de la parole, le gyrus précentral gauche. Ces réseaux utilisent 256 électrodes corticales pour enregistrer l'activité cérébrale.

Grâce à cet appareil, les tentatives des patients pour bouger leurs muscles et parler sont détectés.

« Nous enregistrons à partir de la partie du cerveau qui essaie d'envoyer ces commandes aux muscles. Et nous sommes fondamentalement en écoutant cela, nous traduisons ces schémas d'activité cérébrale en un phonème - comme une syllabe ou l'unité de parole - puis les mots qu'ils essaient de dire. »

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

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

Le nouveau système vise à supprimer cet obstacle à la communication qui rend difficile la compréhension cohérente de l'utilisateur.  

"Notre objectif était de développer un système permettant à quelqu'un d'être compris chaque fois qu'il voulait parler."

– Brandman

Le patient a utilisé le système dans des contextes de conversation spontanée et invitée. Le décodage rapide, dans les deux cas, s'est produit en temps réel avec des mises à jour constantes qui ont permis de garantir un fonctionnement précis. Les mots décodés ont ensuite été montrés sur un écran et lu à haute voix par l'ordinateur. 

La voix qui l'a lu à voix haute était en réalité celle du patient avant sa SLA. Pour cela, les chercheurs ont utilisé un logiciel qui a été formé avec des échantillons audio existants de la voix du patient avant la SLA.

La première session de formation sur les données vocales n'a pris au système qu'une demi-heure pour atteindre une précision impressionnante de 99.6 % avec un vocabulaire de 50 mots. La session suivante a nécessité 1.4 heure supplémentaire de données de formation pour atteindre une précision de mots de 90.2 % pour un vocabulaire de 125,000 97.5 mots. Grâce à la collecte continue de données, le BCI a maintenu une précision de XNUMX %.

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

L'étude a mené 84 séances de collecte de données sur 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 avec des systèmes BCI uniques

Un autre développement important au cours des derniers mois est survenu à l'Université Carnegie Mellon, où des chercheurs ont été capable d'atteindre la fonctionnalité BCI bidirectionnelleCette réalisation améliore la capacité de l’interface à interpréter les signaux cérébraux et à renvoyer directement un retour sensoriel au cerveau. 

Bin He, professeur de génie biomédical 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, le BCI bidirectionnel a utilisé l’apprentissage automatique pour coder et décoder les ondes cérébrales. Ce développement a le potentiel d’améliorer considérablement la qualité du signal et les performances globales du BCI non invasif en stimulant les circuits neuronaux ciblés.

Bien que la technologie BCI non invasive soit sûre et bon marché, le fait qu’elle enregistre les signaux sur le cuir chevelu plutôt que depuis l’intérieur du cerveau et la qualité de ses signaux présentent des limites. 

En tant que tel, le groupe de l'Université Carnegie Mellon a travaillé sur l'amélioration de l'efficacité des BCI non invasives. Ce a conduit à utiliser des approches d’apprentissage profond pour décoder exactement ce que l’on pense et faciliter ensuite le contrôle d’un bras robotique ou d’un curseur. Désormais, dans leurs dernières recherches, le groupe a utilisé des ultrasons focalisés pour une neuromodulation non invasive de précision, et les résultats ont montré une amélioration significative des performances de communication BCI basées sur l'EEG.

Les sujets humains de l’étude ont utilisé un orthographe BCI, qui est une aide visuelle au mouvement couramment utilisée par les non-locuteurs pour communiquer et épeler des phrases comme « Carnegie Mellon ».

Dans l'étude, les sujets ont mis un capuchon EEG et ont généré des signaux EEG simplement en regardant des lettres pour épeler les mots qu'ils voulaient.

En appliquant un faisceau d'ultrasons focalisé sur la zone V5 du cerveau, qui fait partie du cortex visuel, les chercheurs ont pu améliorer la performance du BCI non invasif chez les sujets considérablement. 

« L'Initiative BRAIN 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 de programme à la BRAIN Initiative au NIH

Cela dit le dévouement, détermination et courage de un autre grand développement a été observé l'année dernière lorsque le BCI 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-colonne vertébrale a remporté le prix Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

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. Ce a créé un « pont numérique » permettant à une personne paralysée des bras et des jambes de marcher.

Les signaux ECoG du cerveau ont été surveillés en utilisant une grille d'électrodes à 64 canaux encastrée 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 dédié a également été développé pour le décodage en temps réel de l'intention de mouvement d'un patient.

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

Grâce au BSI, le patient a pu monter des escaliers, franchir des obstacles et évoluer sur des terrains changeants. De plus, le BSI s'est avéré stable et fiable pendant plus d'un an utile sans surveillance.

Mais qu’en est-il de la sécurité des appareils BCI ?

Au milieu de tous ces progrès, de nombreuses inquiétudes ont surgi concernant la gestion des données neuronales et les menaces de cybersécurité telles que les écoutes cérébrales et les attaques par stimuli trompeurs. Une autre grande préoccupation concerne le profil de sécurité de l’interface cerveau-ordinateur.

Pour les BCI invasives, il existe un risque d’infections cérébrales, de lésions tissulaires, de convulsions, de saignements et d’hémorragies. En revanche, les BCI non invasives peuvent provoquer des maux de tête, une fatigue oculaire et une irritation cutanée dues à une exposition prolongée aux champs électromagnétiques. 

Même si ces préoccupations sont légitimes, un étude réalisée par des chercheurs de l'Université Brown a analysé près de deux décennies de données de sécurité sur des essais cliniques testant la technologie BrainGate et a constaté de faibles taux d'événements indésirables.

Le BrainGate BCI est en développement depuis plus de vingt ans et la dernière étude conclut que sa neurotechnologie devrait continuer à évoluer. être évalué pour son potentiel à aider les personnes paralysées à transformer leurs pensées sur le mouvement en actions réelles et à retrouver la fonction neurologique perdue.

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

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

Alors que le BCI intracortical présente un énorme potentiel en matière de mobilité et de restauration communautaire, Hochberg a déclaré que pour que ces avancées se traduisent réellement dans les soins aux patients, tout dépend « si les dispositifs sont accompagnés par un degré de risque acceptablement faible.

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

Entre 2004 et 2021, quand tous ces patients étaient inscrits dans les épreuves, 68 événements indésirables liés au dispositif ont été constatés. L'irritation cutanée était le problème le plus courant, survenant dans une petite partie de l'appareil.

Six événements indésirables ont été trouvés être associé à l’intervention chirurgicale. Deux participants ayant des antécédents de traumatisme crânien ont subi de brèves convulsions après l'opération, mais ont été facilement traités. 

Bien qu’il s’agisse d’événements indésirables, aucun des événements documentés n’était imprévu. De plus, aucun de ces événements indésirables n’a entraîné d’infections du système nerveux nécessitant le retrait du dispositif ou n’a entraîné une augmentation permanente de l’invalidité.

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

Les entreprises font des progrès dans le domaine du BCI

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 sociétés privées, et il est rare de voir des entreprises cotées progresser dans ce domaine. Celles qui sont cotées en bourse le sont parce qu'elles font partie de grandes organisations. Par exemple, NextMind, qui a développé un dispositif BCI non invasif, a été rachetée par Snap Inc. Un autre exemple est Ctrl-labs, une start-up spécialisée dans les interfaces neuronales. a été acquis par Meta (anciennement Facebook).

Alors, examinons quelques noms importants qui sont à la pointe de la technologie BCI :

# 1. neurable 

Neurable est une entreprise de neurotechnologie qui développe des outils d'IA pour la traduction des signaux cérébraux et la technologie BCI. En mai 2024, l'entreprise a levé 13 millions de dollars, portant ainsi le total de ses levées de fonds depuis sa création à plus de 30 millions de dollars. Fin 2019, Neurable a levé 6 millions de dollars lors d'un tour de table de série A pour aller au-delà des applications de réalité virtuelle et développer une BCI non invasive, deux ans après avoir dévoilé le premier jeu de réalité virtuelle contrôlé par la pensée au monde.

Désormais, avec cette nouvelle ronde de financement, l'entreprise vise à rendre sa technologie « accessible à tous », a déclaré le PDG, le Dr Ramses Alcaide, ajoutant :

« Nous permettons aux individus de comprendre leur propre l’esprit, optimiser les performances humaines et relever les défis de santé les plus urgents de notre génération.

# 2. Neurosciences de précision

Cette entreprise a récemment établi un record mondial pour le nombre d'électrodes (4,096 7 au total) placées sur le cerveau humain pour enregistrer des données corticales. Ce développement s'inscrit dans le cadre des tests de Precision Neuroscience sur son interface corticale de couche XNUMX. Cet exploit devrait pour aider l’entreprise à « comprendre le cerveau de manière beaucoup plus approfondie ».

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

# 3. Neuralink

Fondée par Elon Musk, Neuralink est une société privée basée aux États-Unis qui développe des ICM à haut débit pour traiter les maladies neurologiques et, à terme, améliorer les capacités cognitives humaines. l'accent est mis sur la création de dispositifs implantables capable de lire et de stimuler un grand nombre de neurones.

Plus récemment, la deuxième personne dotée d’une puce cérébrale Neuralink, qui, contrairement à la première, reste entièrement attachée au cerveau, a utilisé l’implant pour jouer au jeu vidéo populaire Counter-Strike 2. La puce a été implantée Le mois dernier, le patient aurait connu une guérison « en douceur ». Le patient avait perdu le contrôle de ses membres après une lésion de la moelle épinière. 

Ce développement s'est produit après que 85 % des électrodes fixées à son cerveau ont été déplacées chez le premier patient, même s'il pouvait toujours utiliser l'implant de manière efficace. La société a réduit certaines mesures d'atténuation pour éviter le problème, et aucune rétraction de fil n'a été effectuée. été observé à ce jour.

Lors de sa dernière apparition dans le podcast de Lex Fridman, Musk a prédit qu'un humain doté d'un cerveau amélioré par puce pourrait vaincre un joueur de jeux vidéo professionnel dans un avenir proche. Évoquant l'avenir, Musk a également déclaré que l'objectif à long terme de Neuralink était d'améliorer la symbiose entre l'IA et l'humain en améliorant la capacité de communication à grande échelle.

Conclusion 

La technologie BCI a suscité beaucoup d’attention et d’essor au cours des dernières années, et ce développement ne montre aucun signe de ralentissement. En fait, de nouveaux records et percées sont constamment en cours d'obtention qui visent non seulement à permettre aux personnes handicapées de mener une vie plus enrichissante, mais montrent également le potentiel d'amélioration des capacités des êtres humains en bonne santé. 

Même si le chemin vers la mise en œuvre de cette technologie est encore long, les progrès continus montrent que ce qui faisait autrefois partie de la science-fiction pourrait bientôt devenir une réalité. 

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