L'avenir du toucher : Amélioration des sens artificiels pour les utilisateurs d'ICB

Les progrès technologiques rapides réduisent de plus en plus la frontière entre l'homme et la machine. L'interface cerveau-ordinateur (ICU), qui crée un lien de communication direct entre l'activité électrique du cerveau et une sortie externe, est à l'avant-garde de ces progrès.

En facilitant la communication entre le cerveau et l'ordinateur, l'ICB aide à restaurer les capacités des personnes souffrant d'un handicap physique. Il convertit l'activité de notre cerveau en signaux qui peuvent remplacer ou améliorer les fonctions corporelles, telles que les mouvements musculaires, généralement contrôlées par le cerveau. Ainsi, les ICB présentent un potentiel énorme pour l'amélioration de la qualité de vie des personnes. 

En développement depuis près d'un demi-siècle, l'ICB a connu des progrès considérables au fil des ans, les chercheurs démontrant aujourd'hui la capacité de la technologie à restaurer efficacement les capacités des personnes handicapées, telles que les paralysés, les handicapés moteurs, les personnes ayant des difficultés d'élocution et celles présentant des symptômes de schizophrénie.

Des études ont également montré que l'utilisation de l'ICB aide les personnes handicapées à retrouver la sensation perdue du toucher. Ces sensations tactiles restent cependant imparfaites et sont similaires entre des objets de textures ou de températures différentes. Aujourd'hui, les scientifiques cherchent à créer un sens du toucher intuitif.

Le toucher fait partie intégrante de notre vie. Il nous permet non seulement d'entrer en contact avec les autres, mais aussi de saisir des objets et de marcher. Selon Charles Greenspon, neuroscientifique à l'université de Chicago :

"La plupart des gens ne réalisent pas à quel point ils se fient souvent au toucher plutôt qu'à la vue. Si vous ne pouvez pas sentir, vous devez constamment surveiller votre main pendant que vous faites quoi que ce soit, et vous risquez toujours de renverser, d'écraser ou de faire tomber des objets".

Pour restaurer les sensations dans les prothèses, les chercheurs utilisent de minuscules réseaux d'électrodes placés dans les zones du cerveau responsables de cette fonction spécifique. 

Les participants peuvent ainsi bouger leurs membres à l'aide d'un bras robotisé en pensant simplement au mouvement, tandis que les capteurs placés sur le bras déclenchent des impulsions d'activité électrique dans les régions du cerveau dédiées au toucher. Bien que les scientifiques aient pu provoquer des sensations de toucher, celles-ci étaient plutôt faibles et difficiles à localiser quant à l'endroit où le contact s'est réellement produit.

Mais aujourd'hui, une toute nouvelle recherche montre que des utilisateurs d'interfaces cerveau-ordinateur conçoivent des expériences tactiles uniques pour différents objets affichés sur un écran et devinent ensuite l'objet avec une certaine précision, en se basant uniquement sur les sensations.

Le défi de l'intégration de la rétroaction sensorielle dans les prothèses

Des scientifiques de l'école de médecine de l'université de Pittsburgh ont réalisé une percée qui leur permet d'atteindre un niveau d'excellence en matière de santé publique. plus proche de la mise au point d'un ICB permettant aux personnes tétraplégiques d'avoir accès à l'information et à la communication.¹Les personnes atteintes de tétraplégie peuvent ainsi retrouver le sens du toucher qu'elles ont perdu.

On parle de tétraplégie lorsqu'une personne perd les mouvements de ses bras et de ses jambes, et souvent aussi de son torse, généralement à la suite d'une lésion de la moelle épinière cervicale, d'un accident vasculaire cérébral ou d'autres lésions neurologiques. 

Les lésions perturbent les signaux qui permettent au cerveau de recevoir et de traiter les informations sensorielles telles que le toucher, ce qui entraîne la perte de sensibilité des membres touchés.

Les prothèses fournissent un membre artificiel pour remplacer la fonction perdue, mais cela n'est possible que si elles procurent également un sens du toucher, comme un vrai membre. Les membres artificiels traditionnels se concentraient principalement sur la restauration du mouvement, mais les progrès technologiques ont rendu possible le sens du toucher grâce à l'utilisation de capteurs et de stimulations électriques.

Pour restaurer complètement la fonction perdue des membres, le dispositif doit être parfaitement intégré au système sensorimoteur existant de la personne, qui relie la perception humaine à l'action.

Pour y parvenir, le retour d'information tactile est d'une importance capitale. Cette forme d'interaction sensorielle avec les appareils repose sur des expériences de toucher physique.

La microstimulation intracorticale (ICMS) du cortex somatosensoriel, qui peut évoquer des sensations localisées sur le membre paralysé d'une personne, est un moyen prometteur de fournir ce type de retour d'information. En transmettant des informations tactiles directement au cerveau, la microstimulation intracorticale constitue une option intéressante pour les personnes souffrant d'une amputation de haut niveau ou d'une lésion de la moelle épinière.

Cependant, il n'est pas simple d'y parvenir, mais plutôt très difficile en raison de notre compréhension limitée du traitement neuronal du toucher. Les restrictions matérielles limitent également la capacité à reproduire naturellement les réponses neuronales. En outre, l'espace des paramètres de stimulation est complexe, et les rapports visant à mesurer le degré de réalité de l'expérience artificielle de la sensation sont susceptibles d'être biaisés et difficiles à interpréter.

Si la position et la force du toucher évoquées par la microstimulation du cortex somatosensoriel peuvent être transmises de manière fiable, le développement de sensations naturelles plus complexes pose des problèmes, qui impliquent des techniques insuffisantes pour balayer efficacement un large espace de stimulus et des problèmes d'analyse de la qualité perceptive. 

La plupart des études qui ont exploré la psychophysique de l'ICMS ont manipulé un paramètre de stimulation à la fois. La plupart des études ont été menées sur des primates non humains qui ne peuvent pas verbaliser les sensations qu'ils éprouvent. 

Il est tout simplement nécessaire de disposer de méthodes plus efficaces pour explorer la qualité des sensations évoquées par le biais de l'ICMS.

Ainsi, dans la dernière étude, une collaboration entre Pitt et l'université de Chicago, les scientifiques ont présenté une interface qui relève les défis de la création de sensations naturalistes complexes. 

Les auteurs de l'étude notent que, dans la mesure où l'on s'attend à ce que les personnes utilisent à terme des BCI en boucle fermée dans la vie quotidienne, il est important d'étudier l'utilisation fonctionnelle et l'expérience des sensations évoquées par l'ICMS. 

Cependant, l'échantillon de participants disponibles pour ce type de recherche est limité. Il n'existe qu'environ sept personnes ayant reçu des implants intracorticaux bidirectionnels dans leur cortex somatosensoriel et moteur, et l'étude a porté sur trois d'entre elles.

Permettre aux utilisateurs de BCI de définir leur expérience sensorielle

L'interface créée par les scientifiques a été utilisée par trois hommes atteints de tétraplégie pour concevoir leurs sensations à l'égard de différents objets virtuels.

Des sensations tactiles artificielles ont été conçues pour représenter les interactions avec un chat, une pomme, une clé, une serviette et un morceau de pain grillé. Ces objets ont été choisis pour leur gamme de dimensions tactiles, notamment la familiarité, l'agrément, la température, la micro et la macro texture, l'humidité, le frottement et la conformité.

Les participants ont utilisé la fonction résiduelle de leur main gauche pour interagir avec l'interface de la tablette qui générait des sensations "tactiles" sur la surface de leur paume.

En explorant les objets par le biais de leur toucher artificiel, les participants ont décrit la rondeur froide d'une pomme, la surface lisse et rigide d'une clé de porte et la fourrure chaude d'un chat. Cela diffère totalement des expériences précédentes, où le toucher artificiel était souvent ressenti comme un picotement ou un bourdonnement, qui ne variait même pas d'un objet à l'autre.

Cette expérience se distingue des recherches précédentes par le fait que les participants contrôlaient leur propre stimulation et pouvaient explorer activement un objet présenté visuellement. 

Dans la stimulation passive, où il n'y a pas de vision ni d'exploration, les personnes rapportent généralement des sensations au niveau de la peau, telles que des pressions ou des vibrations. Cela s'explique par le fait que l'attention des participants est concentrée sur leur corps. 

En revanche, les participants à l'exploration active se concentrent probablement sur le monde extérieur. Ils interprètent donc le même percept comme des sensations orientées vers l'objet, comme la rugosité. C'est peut-être la raison pour laquelle les participants à la dernière étude ont spontanément rapporté plus de descripteurs de sensations orientés vers l'objet.

Cette capacité des participants à contrôler la présentation de la stimulation en "touchant" un objet affiché sur la tablette a permis de créer un contexte expérimental plus réaliste. Dans ce cas, les sensations ressenties n'étaient pas le résultat d'une stimulation induite par l'expérimentateur sans contexte significatif, mais plutôt de mouvements exploratoires ciblés.

Les scientifiques ont donné aux utilisateurs de l'ICB le contrôle des détails de la stimulation électrique qui crée les sensations tactiles plutôt que de prendre ces décisions eux-mêmes, ce qui leur a permis de recréer un sens du toucher qui leur semblait intuitif. Selon l'auteur principal Ceci Verbaarschot, ancien post-doctorant au Pitt Rehab Neural Engineering Labs et actuellement professeur adjoint de chirurgie neurologique et d'ingénierie biomédicale à l'Université du Texas-Southwestern, les scientifiques ont donné aux utilisateurs de l'ICB le contrôle des détails de la stimulation électrique qui crée les sensations tactiles, plutôt que de prendre ces décisions eux-mêmes :

"Le toucher est un élément important de la communication sociale non verbale ; il s'agit d'une sensation personnelle et lourde de sens. 

Elle a ajouté :

"Concevoir leurs propres sensations permet aux utilisateurs de BCI de rendre les interactions avec les objets plus réalistes et plus significatives, ce qui nous rapproche de la création d'une neuroprothèse dont l'utilisation est agréable et intuitive".

Reconstruire la réalité sensorielle à partir des seules données neuronales

Au cours de l'étude, les scientifiques ont demandé aux participants de l'ICB de trouver une combinaison de paramètres de stimulation qui leur donnerait l'impression de toucher un toast, une serviette, une clé, une pomme ou un chat.

Pendant ce temps, les utilisateurs exploraient l'objet présenté numériquement. Les participants à l'étude ont décrit les objets en termes vivants, ce qui était subjectif. Par exemple, un participant a décrit le chat comme étant soyeux et lisse, tandis que l'autre l'a décrit comme étant doux et chaud. Les images leur ont ensuite été retirées et ils ont dû reconnaître les objets à l'aide de leur seule stimulation.

Pour simuler l'expérience du "toucher" pour les utilisateurs de BCI, l'étude a stimulé trois électrodes de manière séquentielle. Chacune de ces électrodes, alimentée par le contact avec différentes régions de l'objet, évoquait une sensation dans une zone adjacente de la main.

Les participants ont été capables d'identifier avec précision l'un des cinq objets sans aucun repère visuel dans 35% des cas, ce qui est nettement supérieur au hasard mais nécessite une amélioration significative. Cependant, la confusion entre deux sensations augmente pour les objets qui partagent davantage de caractéristiques tactiles.

"Nous avons conçu cette étude pour viser la lune et l'avons mise en orbite. Les participants avaient pour tâche très difficile de distinguer les objets par la seule sensation tactile, et ils y sont parvenus".

- L'auteur principal de l'étude, Robert Gaunt, professeur agrégé de médecine physique et de réadaptation à Pitt

Gaunt a souligné que même les erreurs étaient "prévisibles", puisqu'il est plus difficile de distinguer une serviette d'un chat, les deux étant mous, alors que la confusion est moins probable entre un chat et une clé.

Dans l'ensemble, l'étude a trouvé prometteur que les participants soient capables de créer des sensations d'objet distinctes, même dans l'environnement difficile d'un vaste espace de paramètres.

L'étude conclut que la microstimulation dans le cortex somatosensoriel peut stimuler les perceptions intuitives avec diverses propriétés tangibles. Des stimuli plus complexes "ouvrent un plus grand espace perceptif qui peut permettre aux gens de distinguer des objets perçus artificiellement avec une précision et une intuition accrues".

Il s'agit d'une étape importante vers la création d'un membre artificiel qui s'intègre parfaitement à l'univers sensoriel unique d'un individu.

Un intérêt croissant pour l'affinement du toucher artificiel dans les ICB

Dans le monde des BCI, on s'attache de plus en plus à rendre le toucher plus intuitif. Rien que cette année, plusieurs chercheurs ont progressé dans la mise au point de bras prothétiques robotisés et d'ICB permettant de rétablir le contrôle moteur et le sens du toucher.

Le neuroscientifique Greenspon et son équipe se sont attaqués aux limites actuelles de la création de sensations tactiles naturelles dans les membres artificiels en veillant à ce que les sensations tactiles stimulées électriquement soient localisées avec précision, stables et suffisamment fortes pour une utilisation quotidienne.

Pour ce faire, ils ont envoyé de brèves impulsions à des électrodes individuelles dans les centres tactiles. Les participants ont ensuite indiqué l'emplacement et la force de chaque sensation ressentie, ce qui a permis de créer une carte complète des régions cérébrales correspondant à des parties spécifiques du corps. 

Les tests ont montré que la stimulation de deux électrodes proches l'une de l'autre permettait aux participants de ressentir un toucher plus fort et plus clair. 

L'article complémentaire visait à rendre le toucher artificiel plus intuitif et immersif en plaçant des groupes d'électrodes dont les emplacements sensoriels se chevauchent. Les participants ont ainsi pu ressentir un toucher tendre et glissant, même si le stimulus fourni se présentait sous la forme de petites étapes discrètes.

L'activation séquentielle des électrodes a également amélioré la capacité des participants à différencier des formes tangibles complexes et à réagir aux changements des objets touchés, ce qui rapproche le retour d'information bionique des capacités complexes et précises du toucher naturel.

"Nous avons transmis des sensations tactiles liées à l'orientation, à la courbure, au mouvement et aux formes 3D à un participant utilisant un membre bionique contrôlé par le cerveau. Nous sommes maintenant à un autre niveau de toucher artificiel. Nous pensons que cette richesse est cruciale pour atteindre le niveau de dextérité, de manipulation et d'expérience tactile hautement dimensionnelle typique de la main humaine".

- Giacomo Valle, auteur principal de l'étude et professeur adjoint à l'université de technologie de Chalmers.

Parallèlement, des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont inventé des dispositifs portables capables de procurer des sensations tactiles expressives, telles qu'un toucher apaisant, une pression sur la peau et des vibrations à des fréquences étendues, dépassant ainsi les capacités des dispositifs actuels. 

Pour développer les sensations haptiques, ils ont mis au point des vêtements électrohydrauliques cutanés à commande électrique (CUTE) qui peuvent être personnalisés pour offrir plusieurs types de toucher en modifiant la tension au fil du temps.

"Nos dispositifs CUTE démontrent qu'il est possible de créer des systèmes portables légers qui fournissent une communication tactile agréable et expressive. À l'avenir, cette technologie pourrait être appliquée à de plus grandes zones du corps, produisant des sensations plus complexes, et même étudier la perception humaine de signaux haptiques qui étaient auparavant difficiles à créer".

- Le premier auteur, Natalia Sanchez, est doctorante au MPI-IS.

Investir dans l'espace d'interface cerveau-ordinateur

La plupart des entreprises qui travaillent sur les interfaces cerveau-ordinateur sont encore privées, ce qui complique la tâche des investisseurs ordinaires. ClearPoint Neuro est l'une des rares exceptions publiques. Elle ne fabrique pas elle-même d'ICB, mais ses outils chirurgicaux guidés par IRM sont déjà utilisés dans les hôpitaux pour implanter des dispositifs neuronaux. Cela en fait un acteur en coulisses qui contribue à faire avancer le domaine, et une rare occasion d'investir dans cet espace par le biais du marché public.

ClearPoint Neuro Inc. (CLPT -6.79%)

ClearPoint Neuro, société spécialisée dans la thérapie génique, se spécialise dans la navigation précise dans le cerveau et la colonne vertébrale. En fournissant des plateformes qui facilitent le placement précis des dispositifs dans le cerveau, sa technologie joue un rôle important dans le développement et la mise en œuvre des systèmes BCI et fait progresser leurs applications.

Avec plus de 50 partenaires dans le domaine de la biopharmacie et plus de 75 centres de neurochirurgie dans le monde, ClearPoint est bien placé pour se développer dans ce secteur émergent.

Avec une capitalisation boursière de $387 millions, les actions de la société se négocient actuellement à $13,86, en baisse de 9,75% depuis le début de l'année. Son BPA (TTM) est de -0,70 et le P/E (TTM) est de -19,68, alors qu'aucun dividende n'est offert aux actionnaires.

En ce qui concerne les données financières de l'entreprise, ClearPoint a déclaré un chiffre d'affaires de $31,4 millions pour l'année 2024. Avec une augmentation de 31% par rapport à l'année précédente, l'entreprise a connu sa dixième année consécutive de croissance. Au cours de cette période, elle a également réalisé une marge brute de 61% sur ses ventes, soit une augmentation de 4% par rapport à l'année précédente.

Il s'agit de la "meilleure performance financière et stratégique", a déclaré le PDG Joe Burnett, qui a ajouté : "Ce qui est très important, c'est que nous avons le sentiment d'être entrés dans la prochaine phase de ClearPoint en tant qu'entreprise, une phase que nous appelons "Fast. Forward".

Ayant effectué un remboursement anticipé sur une obligation convertible de $10 millions, la société n'avait plus de dette en cours à la fin de l'année. La consommation de trésorerie au cours de cette période a été de $9 millions, soit 35% de moins que ce que ClearPoint a dépensé en 2023. Au 31 décembre 2024, la société disposait d'une trésorerie et d'équivalents de trésorerie de $20,1 millions.

Tout récemment, l'entreprise a demandé à la FDA d'étendre l'utilisation de son système ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy à l'IRM. Cette démarche pourrait lui ouvrir le marché américain de la thérapie thermique interstitielle (LITT), actuellement inaccessible.

Dernières nouvelles de Clearpoint Neuro Inc.

Conclusion

Grâce à leur capacité à déterminer notre intention de bouger ou de contrôler quelque chose dans notre environnement directement à partir de l'activité cérébrale, les interfaces cerveau-ordinateur (ICU) présentent un immense potentiel pour révolutionner la façon dont les humains, en particulier les personnes handicapées, interagissent avec la technologie ainsi qu'avec le monde qui nous entoure. Les ICB permettent essentiellement aux utilisateurs de contrôler des appareils par la seule force de leur pensée.

L'étude du Pitt Med, qui permet aux utilisateurs de créer leurs propres environnements tactiles, marque un tournant important : il ne s'agit plus simplement de restaurer une fonction, mais de restaurer une expérience. Elle montre que les prothèses peuvent être plus que de simples outils ; elles peuvent en fait être des extensions de soi.

Il ne s'agit cependant que d'un début, et il y a encore beaucoup à faire. Cependant, à mesure que les systèmes BCI évolueront, la frontière entre les sensations artificielles et biologiques continuera à s'estomper, et avec elle, des capacités avancées qui remodèleront la façon dont nous percevons, interagissons, et même définissons la conscience.

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Études référencées :

1. Verbaarschot, C., Karapetyan, V., Greenspon, C. M., Cramer, A., van der Kouwe, A., Wendelken, S., ... & Andersen, R. A. (2025). Conveying tactile object characteristics through customized intracortical microstimulation of the human somatosensory cortex (Transmission des caractéristiques tactiles d'un objet par microstimulation intracorticale personnalisée du cortex somatosensoriel humain). Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6