Interfaces Cerveau-Ordinateur (BCI) : des percées qui permettent aux personnes handicapées de restaurer leurs capacités et de prospérer

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

Cette évolution a été stimulée par les progrès de la technologie des interfaces cerveau-ordinateur (BCI). Les BCI permettent aux individus de contrôler des appareils externes, comme des ordinateurs, en n’utilisant que leurs pensées. Ces interfaces fonctionnent en acquérant les signaux cérébraux, en les analysant et en les traduisant en commandes qui peuvent être transmises à l’appareil de sortie.

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

Selon la façon dont les signaux sont prélevés du cerveau, l’interface cerveau-ordinateur peut être qualifiée soit:

1. Invasive, où les électrodes sont implantées directement dans le cortex
2. Semi-invasive, où les électrodes sont placées sur la surface exposée du cerveau
3. Non-invasive, où les électrodes sont placées sur le cuir chevelu

Au cours de la dernière décennie, la recherche et le développement dans la technologie BCI ont considérablement progressé. Les avancées récentes ont permis à des personnes atteintes de paralysie sévère de communiquer en traduisant leurs signaux cérébraux en texte et de reprendre le contrôle de membres prothétiques ou de leurs muscles. Les BCI sont également explorées pour améliorer la mémoire, renforcer l’apprentissage et traiter les problèmes de santé mentale.

Avec autant d’innovations dans le domaine des BCI, examinons les percées les plus récentes réalisées par les scientifiques, qui ont le potentiel d’améliorer considérablement les capacités humaines. 

Restaurer la capacité de parole avec une grande précision

Dans une étude publiée ce mois-ci, des chercheurs ont développé une nouvelle BCI qui traduit les signaux cérébraux en parole avec une précision allant jusqu’à 97 %, ce qui en fait l’un des systèmes les plus précis de son type.

Les capteurs ont été implantés dans le cerveau de Casey Harrell, un homme de 45 ans dont la parole était gravement altérée à cause de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Aussi connue sous le nom de maladie de Lou Gehrig, cette maladie neurologique affecte les cellules nerveuses qui contrôlent les mouvements du corps et entraîne une perte progressive de la capacité à marcher, se tenir debout et parler.

Lorsque Harrell a rejoint l’essai clinique BrainGate, sa parole était incompréhensible et d’autres devaient l’interpréter pour lui. Cependant, quelques minutes après l’activation du système BCI, il a pu communiquer la parole qu’il souhaitait.

UC Davis Health a créé cette nouvelle technologie BCI pour les personnes atteintes de troubles neurologiques qui ne peuvent pas communiquer par la parole. 

Lorsque l’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-investigateur principal de l’étude ainsi que neurochirurgien à UC Davis

Il a également ajouté que leur expérience a démontré « le neuroprothèse vocal le plus précis jamais rapporté. »

Brandman, qui est également professeur adjoint au département de chirurgie neurologique d’UC Davis et co-directeur du laboratoire de neuroprothèses d’UC Davis, a implanté le dispositif BCI en juillet de l’année dernière. 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.

Avec cet appareil, les tentatives des patients de bouger les muscles et de parler sont détectées.

« Nous enregistrons la partie du cerveau qui tente d’envoyer ces commandes aux muscles. Et nous écoutons essentiellement cela, et nous traduisons ces schémas d’activité cérébrale en un phonème – comme une syllabe ou l’unité de la parole – puis les mots qu’ils essaient de dire. »

– Neuroscientifique Sergey Stavisky, co-investigateur principal de l’étude et professeur adjoint au département de chirurgie neurologique et co-directeur du laboratoire de neuroprothèses d’UC Davis

La technologie BCI a considérablement progressé au cours des nombreuses dernières années, mais les efforts pour permettre la communication ont été lents et sujets à de fréquentes erreurs de mots. Cela est dû au fait que les programmes d’apprentissage automatique qui interprètent les signaux cérébraux nécessitent beaucoup de temps et de données pour fonctionner.

Le nouveau système vise à éliminer cette barrière à la communication qui rend difficile pour l’utilisateur d’être compris de façon constante.  

« Notre objectif était de développer un système qui permette à quelqu’un d’être compris chaque fois qu’il souhaite parler. »

– Brandman

Le patient a utilisé le système à la fois dans des contextes de conversation spontanée et guidée. Le décodage rapide, dans les deux cas, s’est produit en temps réel avec des mises à jour constantes qui ont maintenu une précision élevée. Les mots décodés ont ensuite été affichés sur un écran et lus à haute voix par l’ordinateur. 

La voix qui le lisait à haute voix était en fait celle du patient avant qu’il ne développe la SLA. Pour cela, les chercheurs ont utilisé un logiciel qui a été entraîné avec des échantillons audio existants de la voix pré‑SLA du patient.

La première session d’entraînement des données vocales a permis au système, en seulement une demi‑heure, d’atteindre une précision de mots impressionnante de 99,6 % avec un vocabulaire de 50 mots. La session suivante a nécessité 1,4 heure supplémentaire de données d’entraînement pour atteindre une précision de mots de 90,2 % avec un vocabulaire de 125 000 mots. Avec la collecte continue de données, la BCI a maintenu une précision de 97,5 %.

Cette capacité à décoder correctement ce que la personne implantée dit environ 97 % du temps, selon Brandman, « est meilleure que de nombreuses applications de smartphone commercialement disponibles qui tentent d’interpréter la voix d’une personne. »

L’étude a mené 84 sessions de collecte de données sur 32 semaines. Le patient a utilisé la BCI pour communiquer via visioconférence et en personne pendant plus de 248 heures. 

Améliorer la communication et la mobilité avec des systèmes BCI uniques

Un autre grand développement au cours des deux derniers mois est venu de l’Université Carnegie Mellon, où les chercheurs ont pu atteindre une fonctionnalité BCI bidirectionnelle. Cette réalisation améliore la capacité de l’interface à interpréter les signaux cérébraux et à renvoyer un retour sensoriel directement 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 une double communication pour la première fois. 

Dans une étude portant sur 25 sujets humains, la BCI bidirectionnelle a utilisé l’apprentissage automatique pour encoder et décoder les ondes cérébrales. Ce développement a le potentiel d’améliorer significativement la qualité du signal et les performances globales des BCI non invasives en stimulant des circuits neuronaux ciblés.

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

Ainsi, le groupe de l’Université Carnegie Mellon travaille à améliorer l’efficacité des BCI non invasives. Cela a conduit à l’utilisation d’approches d’apprentissage profond pour décoder exactement ce que l’on pense, puis à faciliter le contrôle d’un bras robotique ou d’un curseur. Dans leurs dernières recherches, le groupe a utilisé les 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 de mouvement couramment utilisée par les personnes non verbales pour communiquer et épeler des phrases comme « Carnegie Mellon ».

Dans 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 focalisé sur la zone V5 du cerveau, qui fait partie du cortex visuel, les chercheurs ont pu améliorer les performances de la BCI non invasive chez les sujets de façon considérable. 

« L’Initiative BRAIN a soutenu plus de 60 projets d’ultrasons depuis sa création. Cette application unique des technologies d’enregistrement et de modulation non invasives élargit la boîte à outils, avec un impact potentiellement évolutif pour aider les personnes vivant avec des handicaps de communication. »

– Dr. Grace Hwang, directrice du programme de l’Initiative BRAIN aux NIH

Pourtant, un autre grand développement a été observé l’année dernière lorsque la BCI a permis à un homme paralysé, après 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 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. Cela 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 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 sur la base de 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 du patient.

Dans l’essai clinique du dispositif, un homme de 38 ans avec une lésion cervicale incomplète de la moelle épinière survenue lors d’un accident de vélo une décennie plus tôt a reçu deux dispositifs implantés chirurgicalement dans son cerveau et une électrode en palette sur sa moelle lombaire.

En utilisant le BSI, le patient a pu monter des escaliers, franchir des obstacles et naviguer sur des terrains changeants. De plus, 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 inquiétudes ont émergé concernant la gestion des données neuronales et les menaces de cybersécurité telles que le piratage cérébral et les attaques par stimuli trompeurs. Une autre grande préoccupation porte sur le profil de sécurité de l’interface cerveau‑ordinateur.

Pour les BCI invasives, le risque d’infections cérébrales, de lésions tissulaires, de crises, de saignements et d’hémorragies apparaît. En revanche, les BCI non invasives peuvent provoquer des maux de tête, une fatigue oculaire et des irritations cutanées dues à une exposition prolongée aux champs électromagnétiques. 

Bien que ces préoccupations soient légitimes, une étude menée par des chercheurs de l’Université Brown a analysé près de deux décennies de données de sécurité provenant d’essais cliniques testant la technologie BrainGate et a constaté de faibles taux d’événements indésirables.

La BCI BrainGate est en cours de développement depuis plus de vingt ans, et la dernière étude conclut que sa neurotechnologie devrait continuer à être évaluée pour son potentiel à aider les personnes paralysées à transformer leurs pensées de mouvement en actions réelles et à récupérer les fonctions neurologiques perdues.

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

« Dans le plus grand essai en cours d’interfaces cerveau‑ordinateur intracorticales, le profil de sécurité intermédiaire rapporté aujourd’hui soutient la possibilité que ces systèmes deviennent des neurotechnologies restauratrices pour les personnes paralysées. »

Bien que la BCI intracorticale montre un énorme potentiel en matière de mobilité et de restauration communautaire, Hochberg a déclaré que pour que ces avancées se traduisent réellement en soins aux patients, tout dépend de « si les dispositifs sont accompagnés d’un degré de risque acceptablement bas. »

Le rapport sur la sécurité a évalué un peu plus de 12 200 jours de données de sécurité couvrant 14 participants d’essais cliniques appartenant à la tranche d’âge 18‑75 ans avec une quadriparésie résultant d’une SLA, d’une lésion de la moelle épinière ou d’un AVC du tronc cérébral. 

Entre 2004 et 2021, lorsque tous ces patients ont été inscrits aux essais, 68 événements indésirables liés au dispositif ont été constatés. L’irritation cutanée était le problème le plus fréquent, apparaissant sur la petite portion du dispositif.

Six événements indésirables ont été associés à la procédure chirurgicale. Deux participants ayant des antécédents de traumatisme crânien ont subi de brèves crises post‑opératoires mais ont été facilement traités. 

Malgré ces événements indésirables, aucun de ceux documentés n’était inattendu. De plus, aucun de ces événements indésirables n’a conduit à des infections du système nerveux nécessitant le retrait du dispositif ou à une incapacité permanente accrue.

Bien que les résultats rassurants sur la sécurité du système d’interface neuronale BrainGate constituent une avancée majeure, il reste beaucoup à faire, notamment garantir que les dispositifs soient entièrement implantés et disponibles pour les utilisateurs 24 h/24 et 7 j/7.

Entreprises qui font des progrès dans le domaine des BCI

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel et Emotiv figurent parmi les 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 privées, et il est rare de voir des sociétés publiques avancer dans ce domaine. Celles qui sont publiques le sont parce qu’elles font partie de plus grandes organisations. Par exemple, NextMind, qui a développé un dispositif BCI non invasif, a été acquis par Snap Inc. (SNAP ) Un autre exemple est Ctrl‑labs, une start‑up d’interface neuronale qui a été acquise par Meta (anciennement Facebook).

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

#1. Neurable 

Neurable est une entreprise de neurotechnologie qui développe des outils alimentés par l’IA pour la traduction des signaux cérébraux et la technologie BCI. En mai 2024, l’entreprise a levé 13 M$, portant son total de financement depuis sa création à plus de 30 M$. Fin 2019, Neurable a levé 6 M$ lors d’un tour de financement 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, avec ce nouveau financement, l’entreprise vise à rendre sa technologie « accessible à tous », a déclaré le PDG Dr. Ramses Alcaide, ajoutant:

« Nous donnons aux individus les moyens de comprendre leur propre esprit, d’optimiser les performances humaines et de relever les défis sanitaires les plus pressants de notre génération. »

#2. Precision Neuroscience

Cette société a récemment établi un record mondial du nombre d’électrodes, 4 096 au total, placées sur le cerveau humain pour enregistrer des données corticales. Ce développement s’inscrit dans le cadre des tests de l’Interface Corticale Layer 7 de Precision Neuroscience. Cette réalisation est censée aider l’entreprise à « comprendre le cerveau de façon beaucoup plus profonde. »

Precision Neuroscience a été fondée par Benjamin Rapoport, neurochirurgien qui a co‑fondé Neuralink mais a quitté le projet, invoquant des préoccupations 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 troubles neurologiques et, à terme, améliorer les capacités cognitives humaines. L’entreprise se concentre sur la création de dispositifs implantables capables de lire et de stimuler un grand nombre de neurones.

Plus récemment, la deuxième personne équipée 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, et le patient aurait eu une récupération « fluide ». Le patient avait perdu le contrôle de ses membres après une lésion de la moelle épinière. 

Ce développement est survenu après que le premier patient ait vu 85 % des électrodes attachées à son cerveau se déplacer, bien qu’il puisse encore utiliser l’implant efficacement. L’entreprise a réduit certaines mesures d’atténuation pour éviter le problème, et aucune rétraction de fil n’a été observée jusqu’à présent.

Lors de sa dernière apparition dans le podcast de Lex Fridman, Musk a prédit qu’un humain doté d’un cerveau amélioré par puce battant un joueur professionnel de jeux vidéo n’est plus très loin. En parlant de l’avenir, Musk a également déclaré que l’objectif à long terme de Neuralink est d’améliorer la symbiose entre l’IA et les humains en renforçant la capacité d’un individu à communiquer à grande échelle.

Conclusion 

La technologie BCI suscite de plus en plus d’attention et d’élan depuis quelques années, et ce développement ne montre aucun signe de ralentissement. En fait, de nouveaux records et percées sont constamment réalisés, visant non seulement à permettre aux personnes handicapées de mener une vie plus enrichissante, mais aussi à démontrer le potentiel d’améliorer les capacités chez les humains en bonne santé. 

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

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