L’avenir du toucher: améliorer les sens artificiels pour les utilisateurs d’interface cerveau-ordinateur

Les avancées technologiques rapides réduisent de plus en plus la frontière entre les humains et les machines. Au premier plan de ces progrès se trouve une interface cerveau-ordinateur (BCI), qui crée un lien de communication direct entre l’activité électrique du cerveau et une sortie externe.

En facilitant la communication entre le cerveau et l’ordinateur, la BCI aide à restaurer les capacités des personnes physiquement handicapées. Elle convertit l’activité de notre cerveau en signaux pouvant remplacer ou améliorer les fonctions corporelles, telles que le mouvement musculaire, généralement contrôlées par le cerveau. Ainsi, la BCI montre un énorme potentiel pour améliorer la qualité de vie des gens.

En développement depuis environ un demi-siècle, la BCI a connu des progrès considérables au fil des ans, les chercheurs démontrant désormais la capacité de la technologie à restaurer efficacement les capacités des personnes handicapées, telles que la paralysie, les troubles moteurs, les difficultés d’élocution et les symptômes de la schizophrénie.

Des études ont également montré que l’utilisation de la BCI aide les personnes handicapées à ressentir la sensation de toucher perdue. Cependant, ces sensations tactiles restent imparfaites et sont similaires entre des objets aux textures ou températures différentes. Maintenant, les scientifiques cherchent à créer un sens du toucher intuitif.

Le toucher est une partie intégrante de nos vies, nous aidant non seulement à nous connecter avec les autres mais aussi à saisir des objets et à marcher. Selon Charles Greenspon, neuroscientifique à l’Université de Chicago:

« La plupart des gens ne réalisent pas à quel point ils comptent sur le toucher plutôt que sur la vision. Si vous ne pouvez pas sentir, vous devez constamment regarder votre main pendant que vous faites quoi que ce soit, et vous risquez toujours de renverser, écraser ou laisser tomber des objets. »

Pour restaurer la sensation dans les membres prothétiques, les chercheurs utilisent de minuscules réseaux d’électrodes placés dans les zones cérébrales responsables de cette fonction spécifique. 

Cela permet aux participants de déplacer leurs membres à l’aide d’un bras robotique simplement en pensant au mouvement, tandis que les capteurs déclenchent des impulsions d’activité électrique dans les régions du cerveau dédiées au toucher. Bien que les scientifiques puissent susciter des sensations de toucher, celles-ci étaient plutôt faibles et difficiles à localiser précisément.

Mais maintenant, de nouvelles recherches ont permis aux utilisateurs d’interface cerveau-ordinateur de concevoir des expériences tactiles uniques pour différents objets affichés à l’écran, puis, en se basant uniquement sur la sensation, de deviner l’objet avec une certaine précision.

Le défi de l’intégration du retour sensoriel dans les prothèses

Des scientifiques de l’École de médecine de l’Université de Pittsburgh ont réalisé une percée qui les rapproche de développer une BCI qui permet aux personnes atteintes de tétraplégie¹, également connue sous le nom de quadriplégie, de restaurer leur sens du toucher perdu.

La tétraplégie se produit lorsqu’une personne perd le mouvement de ses deux bras et de ses deux jambes, et souvent du tronc également, généralement à cause d’une lésion de la moelle cervicale, d’un AVC ou d’autres dommages neurologiques.

Les dommages perturbent les signaux qui permettent au cerveau de recevoir et de traiter les informations sensorielles comme le toucher, entraînant la perte de sensation du patient dans les membres affectés.

Alors que les prothèses offrent un membre artificiel pour remplacer la fonction perdue, cela ne peut être réalisé que si elles offrent également une sensation de toucher, tout comme un membre réel. Les prothèses traditionnelles se concentraient principalement sur la restauration du mouvement, mais les avancées technologiques ont rendu possible la perception du toucher grâce à l’utilisation de capteurs et de stimulations électriques.

Pour restaurer complètement la fonction perdue des membres, le dispositif doit être intégré de manière transparente au système sensorimoteur existant de la personne, qui relie perception et action humaines.

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

Une voie prometteuse pour fournir ce type de retour est la microstimulation intracorticale (ICMS) du cortex somatosensoriel, qui peut évoquer des sensations localisées sur le membre paralysé d’une personne. En délivrant l’information tactile directement au cerveau, l’ICMS constitue une option attrayante pour les personnes amputées à haut niveau ou souffrant de lésions de la moelle épinière.

Cependant, y parvenir n’est pas simple, 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. De plus, l’espace des paramètres de stimulation est complexe, et les rapports mesurant à quel point l’expérience artificielle était réelle sont sujets à des biais et difficiles à interpréter.

Bien que la position et l’intensité du toucher évoqué par la microstimulation du cortex somatosensoriel puissent être transmises de manière fiable, il existe des problèmes pour développer des sensations naturelles plus complexes, en raison de techniques insuffisantes pour explorer efficacement un large espace de stimulus et de difficultés à analyser la qualité perceptuelle.

La plupart des études qui ont exploré la psychophysique de l’ICMS ont manipulé un paramètre de stimulation à la fois. La plupart de ces études ont été menées chez des primates non humains qui ne peuvent pas verbaliser leurs sensations ressenties.

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

Ainsi, dans la dernière étude, une collaboration entre Pitt et l’Université de Chicago, les scientifiques ont présenté une interface qui répond aux défis de la création de sensations naturalistes complexes.

L’étude a noté que, les personnes étant finalement censées utiliser 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 disponible dans ce type de recherche est limité. Environ sept personnes disposant d’implants intracorticaux bidirectionnels dans leur cortex somatosensoriel et moteur sont disponibles, et l’étude en a inclus trois.

Donner aux utilisateurs de BCI le pouvoir de définir leur expérience sensorielle

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

Des sensations tactiles artificielles ont été conçues pour représenter les interactions avec un chat, une pomme, une clé, une serviette et une tranche de pain grillé. Ces objets ont été choisis pour la variété de leurs dimensions tactiles, incluant la familiarité, le plaisir, la température, les textures micro et macro, l’humidité, la friction et la conformité.

Les participants ont utilisé la fonction résiduelle de leur main gauche pour interagir avec l’interface tablette qui générait des sensations de « toucher » sur la surface de leur paume.

En explorant les objets grâce à leur toucher artificiel, les participants ont décrit la fraîcheur ronde d’une pomme, la surface lisse et rigide d’une clé de porte, et la fourrure chaude d’un chat. C’est complètement différent des expériences antérieures, où le toucher artificiel ressemblait souvent à des picotements ou des bourdonnements, qui ne variaient même pas d’un objet à l’autre.

Ce qui distinguait cette expérience des recherches précédentes était que les participants contrôlaient leur propre stimulation et pouvaient explorer activement un objet présenté visuellement.

Dans la stimulation passive, où il n’y a ni vision ni exploration, les gens rapportent généralement des sensations au niveau de la peau comme la pression ou les vibrations. Cela est dû au fait que l’attention des participants est centrée sur leur corps.

En revanche, les participants en exploration active sont probablement concentrés sur le monde extérieur. Ainsi, ils interprètent la même perception comme des sensations orientées objet, comme la rugosité. Cela pourrait expliquer pourquoi les participants de la dernière étude ont spontanément rapporté davantage de descripteurs de sensations orientées objet.

Cette capacité des participants à contrôler la présentation de la stimulation en « touchant » un objet affiché sur la tablette a aidé à créer un contexte expérimental plus réaliste. Ici, les sensations ressenties n’étaient pas le résultat d’une stimulation dirigée par l’expérimentateur sans contexte significatif, mais plutôt de mouvements exploratoires ciblés.

Les scientifiques ont essentiellement donné aux utilisateurs de BCI le contrôle sur les détails de la stimulation électrique qui crée les sensations tactiles plutôt que de prendre ces décisions eux-mêmes, leur permettant de recréer une sensation de toucher qui leur semblait intuitive. Selon l’auteure principale Ceci Verbaarschot, ancienne postdoctorante aux Pitt Rehab Neural Engineering Labs et actuellement professeure assistante de chirurgie neurologique et d’ingénierie biomédicale à l’Université du Texas du Sud‑Ouest:

« Le toucher est une partie importante de la communication sociale non verbale ; c’est une sensation personnelle qui porte beaucoup de sens. »

She added:

« Concevoir leurs propres sensations permet aux utilisateurs de BCI de rendre les interactions avec les objets plus réalistes et significatives, ce qui nous rapproche de la création d’un neuro‑prothèse qui soit agréable et intuitive à utiliser. »

Reconstruire la réalité sensorielle à partir de l’entrée neuronale seule

Au cours de l’étude, tout en recherchant le toucher parfait, les scientifiques ont demandé aux participants BCI de d’abord trouver une combinaison de paramètres de stimulation qui ressemblait à toucher une tranche de pain grillé, une serviette, une clé, une pomme ou un chat.

Pendant ce temps, les utilisateurs exploraient l’objet présenté numériquement. Les participants de l’étude ont décrit les objets avec des termes vivants, ce qui était subjectif. Par exemple, un participant a décrit le chat comme soyeux et lisse, tandis qu’un autre l’a décrit comme tapotant et chaud. Ensuite, les images ont été retirées et, en n’utilisant que leur stimulation, ils ont dû reconnaître les objets.

Pour simuler l’expérience de « toucher » pour les utilisateurs de BCI, l’étude a stimulé trois électrodes séquentiellement. Chacune de ces électrodes, activée par le contact avec différentes régions de l’objet, a évoqué une sensation dans une zone adjacente de la main.

Les participants ont pu identifier avec précision l’un des cinq objets sans aucun indice visuel 35 % du temps, ce qui est nettement au‑dessus du hasard mais nécessite une amélioration importante. Cependant, la confusion entre deux sensations augmentait pour les objets qui partageaient davantage de caractéristiques tactiles.

« Nous avons conçu cette étude pour viser la lune et l’avons mise en orbite. Les participants ont eu une tâche très difficile consistant à distinguer les objets uniquement par la sensation tactile, et ils ont été assez réussis dans cette tâche. »

– Auteur principal de l’étude Robert Gaunt, Ph.D., professeur associé de médecine physique et de réadaptation à Pitt

Gaunt a souligné que même les erreurs étaient « prévisibles », car il est plus difficile de distinguer une serviette d’un chat, les deux étant doux, alors que la confusion était moins probable entre un chat et une clé.

Dans l’ensemble, l’étude a trouvé prometteur que les participants aient pu créer des sensations d’objets distinctes même dans l’environnement difficile d’un vaste espace de paramètres.

Elle a conclu que la microstimulation du cortex somatosensoriel peut stimuler des perceptions intuitives avec diverses propriétés tangibles. Des stimuli plus complexes « déverrouillent un espace perceptuel plus vaste qui peut permettre aux personnes de distinguer les objets perçus artificiellement avec une précision et une intuition accrues », a-t-elle déclaré.

C’est une avancée majeure vers la création d’un membre artificiel qui se fond parfaitement dans le monde sensoriel unique d’un individu.

Un intérêt croissant pour l’affinement du toucher artificiel dans les BCI

Dans le domaine des BCI, il y a actuellement un intérêt croissant pour rendre le toucher plus intuitif. Rien que cette année, plusieurs chercheurs ont progressé sur les bras prothétiques robotiques et les BCI afin de restaurer le contrôle moteur et le sens du toucher.

Le neuroscientifique Greenspon et son équipe ont abordé les limites actuelles de la création de sensations de toucher naturelles dans les membres artificiels en se concentrant sur le fait de garantir que les sensations de toucher stimulées électriquement soient précisément localisées, stables et suffisamment fortes pour une utilisation quotidienne.

Pour cela, ils ont délivré de courtes impulsions aux électrodes individuelles dans les centres du toucher. Ensuite, les participants ont indiqué la localisation et l’intensité de chaque sensation ressentie, aidant à créer une carte complète des régions cérébrales correspondant à des parties spécifiques du corps.

Les tests ont montré que la stimulation simultanée de deux électrodes très proches faisait ressentir aux participants un toucher plus fort et plus clair.

L’article complémentaire a travaillé à rendre le toucher artificiel plus intuitif et immersif en plaçant des grappes d’électrodes avec des emplacements sensoriels qui se chevauchent. Cela a généré des sensations décrites par les participants comme un toucher glissant et tendre, même si le stimulus fourni était en petites étapes discrètes.

L’activation séquentielle des électrodes a également amélioré la capacité des participants à différencier des formes tangibles complexes et à répondre aux changements des objets touchés, aidant à rapprocher le retour 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 pour 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 une expérience tactile hautement dimensionnelle typique de la main humaine. »

– Auteur principal de l’étude Giacomo Valle, professeur assistant à l’Université de technologie de Chalmers.

Parallèlement, des scientifiques du Max Planck Institute for Intelligent Systems ont inventé des dispositifs portables capables de délivrer des sensations tactiles expressives telles qu’un toucher apaisant, une pression sur la peau et des vibrations à large gamme de fréquences, dépassant les capacités des dispositifs actuels.

Pour élargir les sensations haptiques, ils ont développé des wearables cutanés électrohydrauliques (CUTE) à commande électrique qui peuvent être personnalisés pour délivrer plusieurs types de touches en modifiant la tension au fil du temps.

« Nos dispositifs CUTE démontrent la faisabilité de créer des systèmes portables légers qui offrent une communication tactile agréable et expressive. Les développements futurs pourraient voir cette technologie appliquée à de plus grandes zones du corps, produisant des sensations plus complexes, et même étudier la perception humaine des signaux haptiques qui étaient auparavant difficiles à créer. »

– Première auteure Natalia Sanchez, doctorante au MPI-IS

Investir dans le secteur des interfaces cerveau-ordinateur

La plupart des entreprises travaillant sur les interfaces cerveau-ordinateur sont encore privées, ce qui rend difficile pour les investisseurs ordinaires d’y accéder. ClearPoint Neuro est l’une des rares exceptions publiques. Elle ne fabrique pas elle‑même de BCI, 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 aide à faire progresser le domaine — et une occasion rare d’investir dans cet espace via le marché public.

ClearPoint Neuro Inc. (CLPT )

ClearPoint Neuro, une société facilitant la thérapie génique, se spécialise dans la navigation précise vers 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 secteur BioPharma et plus de 75 centres de neurochirurgie à l’échelle mondiale, ClearPoint est bien placé pour croître dans cette industrie émergente.

Avec une capitalisation boursière de 387 millions de dollars, les actions de la société se négocient actuellement à 13,86 $, en baisse de 9,75 % cette année. Son BPA (TTM) est de -0,70 et son PER (TTM) est de -19,68, aucun dividende n’étant offert aux actionnaires.

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

« C’était la « performance financière et stratégique la plus forte », a déclaré le PDG Joe Burnett, ajoutant : « Très important, nous estimons que nous sommes entrés dans la prochaine phase de ClearPoint en tant qu’entreprise, une phase que nous appelons « Fast. Forward. » »

Après avoir effectué un remboursement anticipé d’une note convertible de 10 millions de dollars, la société n’avait aucune dette en cours à la fin de l’année. La trésorerie consommée pendant cette période était de 9 millions de dollars, soit 35 % de moins que ce que ClearPoint a dépensé en 2023. Au 31 décembre 2024, la société disposait de liquidités et d’équivalents de liquidités de 20,1 millions de dollars.

Plus récemment, la société a soumis une demande à la FDA pour étendre l’utilisation de son système ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy pour l’IRM. Cette démarche pourrait potentiellement ouvrir le marché américain de la thérapie thermique interstitielle (LITT), actuellement inaccessible, à l’entreprise.

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 (BCI) démontrent un potentiel immense pour révolutionner la façon dont les humains, en particulier les personnes handicapées, interagissent avec la technologie ainsi qu’avec le monde qui les entoure. Les BCI permettent essentiellement aux utilisateurs de contrôler des dispositifs uniquement par la pensée.

L’étude du Pitt Med, qui permet aux utilisateurs de créer leurs propres environnements tactiles, marque un passage important du simple rétablissement de la fonction au rétablissement de l’expérience. Elle montre que les prothèses peuvent être plus que de simples outils ; elles peuvent réellement être des extensions du moi.

Ce n’est toutefois que le début, avec une marge d’amélioration importante. Cependant, à mesure que les systèmes BCI évoluent, la frontière entre sensation artificielle et biologique continuera de s’estomper, et avec elle, des capacités avancées qui remodeleront notre perception, notre interaction et même la définition de 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. Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6