Une
interface neuronale directe - aussi appelée IND ou BCI
1 (
brain-computer interface : interface cerveau-machine, ou encore interface cerveau-ordinateur) est une
interface de
communication directe entre un
cerveau et un dispositif externe (un
ordinateur, un système
électronique…). Ces systèmes peuvent être conçus pour assister, améliorer ou réparer des fonctions humaines de
cognition ou d'action défaillantes.
L'IND peut être unidirectionnelle ou bidirectionnelle.
Ce type de périphérique est fondamentalement différent de toute autre
interface homme-machine : une telle liaison ne requiert en effet aucune transformation préalable du
signal électrique émis par l’
activité cérébrale en activité musculaire (
psychomotrice), cette dernière étant usuellement traduite en signal d’entrée pour la machine.
En s’affranchissant de la chaîne de réaction « cerveau, nerfs, muscles, interface conventionnelle homme-machine », les
temps de réponse peuvent être écourtés de plusieurs dixièmes de seconde dans le cas d’
interaction urgente. De plus, ils laissent les
organes vitaux (
mains,
pieds,
yeux, etc.) libres et disponibles pour d’autres types de commandes simultanées.
Depuis les années 1970, le champ de recherche sur les IND s'est spectaculairement étendu, principalement en ce qui concerne les
neuroprothèses (neuroprosthetics), qui ont pour fonction de restaurer l'ouïe, la vue ou une incapacité motrice.
Grâce à la fantastique plasticité du cerveau, il a été constaté que
l'influx nerveux produit par les prothèses peut, après un temps
d'adaptation, être traité comme un influx naturel
20.
Grâce aux récentes avancées effectuées ces derniers temps, une IND
permet non seulement de restaurer des facultés perdues (comme l'
ouïe, la
vue
ou même les mouvements), mais est capable de plus d'étendre ces
facultés, bien au-delà des capacités naturelles (comme le contrôle du
curseur d'un PC à une vitesse et une précision impossibles à atteindre
avec une simple
souris, des jeux en ligne et même des membres robotisés).
Prospectivement, certains ont imaginé la création d'un
exocortex.
Communication par interface neuronale
Interface utilisée par un patient paralysé
Les patients dont les capacités de communication ont été altérées,
peuvent bénéficier de la technologie d'une interface neuronale directe (
entre autres par le biais du BrainGate) pour communiquer.
Par cette méthode, ils imaginent une
souris d'ordinateur sous leur main et par la pensée, ils arrivent à déplacer un curseur sur un clavier
virtuel modélisé sur un écran.
En plus de lettres, le clavier inclut des mots prédéfinis facilitant la composition de phrases ou d'idées.
Avec de la pratique, un utilisateur de
clavier virtuel comme
Matthew Nagle
arrive à manipuler un clavier virtuel (via une interface neuronale)
avec la même aisance que celui qui manipule une souris informatique
conventionnelle.
Neuroprosthétique
La conception de neuroprothèses est une spécialité des
neurosciences
concernant les prothèses qui incorporent un système capable d'émuler
les fonctions du système nerveux humain. La neuroprothèse la plus
couramment utilisée est l'
implant cochléaire, qui en 2006, était implantée sur environ 100 000 patients dans le monde
21.
Il existe un grand nombre d'autres
prothèses, comme l'
implant rétinien.
La différence entre IND et neuroprothèse réside essentiellement dans
l'utilisation qui est faite de l'équipement : les neuroprothèses relient
en général le système nerveux à une prothèse alors que les IND relient
le système nerveux à un ordinateur. Le plus souvent les neuroprothèses
sont connectées à n'importe quelle partie du système nerveux, par
exemple les nerfs des membres, alors que les IND sont branchés sur le
système nerveux central.
Pour des raisons justifiées évidentes, les deux termes sont parfois
considérés comme interchangeables. En effet, toutes deux poursuivent le
même but, à savoir restaurer l'ouïe, la vue, le mouvement ou une
fonction cognitive, et exploitent des méthodes expérimentales et
chirurgicales identiques.
En 2005, le tétraplégique Matt Nagle
fut la première personne capable de contrôler une main artificielle
grâce à un IND. Il participa pendant neuf mois à un test de technologie
cybernétique BrainGate.
L'implant fut réalisé dans la région du gyrus précentral droit (zone
qui contrôle le déplacement du bras). La technologie à 96 électrodes BrainGate permit à Nagle de contrôler un bras robotisé, ainsi qu'un curseur d'ordinateur, l'éclairage et la télévision26.
L'année suivante le professeur Jonathan Wolpaw reçu le prix de la
Fondation Altran pour l'innovation afin qu'il développe une interface
utilisant des électrodes de surface plutôt qu'implantées dans le
cerveau.
Les forces armées des États-Unis ont développé des interfaces cerveau
ordinateur afin d'améliorer la performance de ses troupes et dans le
but d'interférer avec les communications des troupes adverses
52.
Un rapport conclu :
« L'implémentation la plus réussie d'interface invasive a été
réalisée lors d'essai médicaux utilisant l'influx des nerfs pour
transférer l'information53. »
Le budget de la DARPA pour l'année 2009-2010 comporte le financement
d'un programme nommé « Silent Talk » à hauteur de 4 millions de dollars.
Ce projet doit permettre la communication d'homme à homme sur le champ
de bataille, sans utiliser la parole, grâce à l'analyse du signal
neuronal
54.
Une allocation complémentaire de 4 millions de dollars a été octroyée à
l'université de Californie pour des recherches sur la télépathie
synthétique par le biais d'un système informatique
54.
Ces recherches visent à détecter par EEG et à analyser les signaux
neuronaux qui sont propagés avant que la parole soit exprimée et a
déterminer si l'on peut définir des formes d'ondes standard
correspondant aux mots
54.
Ces recherches sont incluses dans un programme de 70 millions de
dollars, qui a débuté en 2000, avec l'objectif de développer un
équipement capable de s'adapter au comportement de son utilisateur
55.
Interface sur des cultures de cellules
Des chercheurs ont construit des interfaces pour connecter des
cellules nerveuses individuelles ou des réseaux de cellules in vitro.
Ceci permet d'une part d'améliorer la recherche concernant les implants
sur les animaux et d'autre part de réaliser des expérimentations visant à
réaliser des réseaux neuronaux capables de résoudre des problèmes, de
construire de petits ordinateurs ou des contrôleurs de robot.
- La technologie visant à stimuler et enregistrer l'activité de
neurones connectés sur une puce électronique est appelée
neuroélectronique ou neuropuce56.
- La réalisation de la première neuropuce est attribuée à Jerome Pine and Michael Maher de l'université Caltech, en 1997. La puce Caltech permet de connecter jusqu'à 16 neurones.
En 2003, une équipe menée par Theodore Berger de l'université de
Californie du Sud a commencé à travailler sur une neuropuce devant
servir d'
hippocampe
artificielle. Cette puce est conçue pour fonctionner dans un cerveau de
rat et devrait permettre de mettre au point des prothèses destinées à
des cerveaux plus évolués. L'hippocampe a été choisi car on considère
que c'est la structure cérébrale la plus organisée et la mieux connue.
Elle a pour fonction de mémoriser les expériences sur le long terme dans
d'autres parties du cerveau
57.
Thomas DeMarse à l'
université de Floride a utilisé une culture de 25 000 neurones prélevés dans un cerveau de rat pour piloter un
simulateur de vol de chasseur F-22
58. Suite au prélèvement, les neurones corticaux ont été cultivés dans une
boîte de Petri
et ont rapidement reformé un réseau synaptique afin de constituer un
réseau neuronal actif. Les cellules furent ensuite installées sur une
matrice de 60 électrodes et l'influx nerveux fut utilisé pour contrôler
les commandes de profondeur et de lacet du simulateur. Cette étude fut
menée afin de comprendre les mécanismes d'apprentissage du cerveau, à un
niveau cellulaire.
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