L’implant permet aux patients paralysés de communiquer à nouveau. “L’IA comprend mieux les signaux cérébraux que les humains”

Supposons qu’un accident vasculaire cérébral ou un traumatisme vous paralyse du haut de la tête jusqu’aux orteils pendant la nuit. Seuls les muscles qui contrôlent les mouvements de vos yeux fonctionnent encore. Votre cerveau fonctionne comme il l’a toujours fait – vous pouvez former des pensées et des raisonnements – mais vous ne pouvez pas les exprimer.

Pour les patients qui perdent la capacité de communiquer lorsqu’ils sont conscients, l’esprit et le corps se transforment en prison. Pour libérer les gens de cet isolement, des scientifiques et des entrepreneurs – dont Neuralink d’Elon Musk est le plus important – travaillent sur une technologie permettant de traduire les signaux du cerveau en commandes pour un ordinateur. Et cela va de mieux en mieux.

Un point positif est que de grandes parties du cerveau intact demeurent, même en cas de paralysie sévère. Il existe donc une opportunité pour les scientifiques, les médecins et les entrepreneurs en technologies de la santé. Ils sont de plus en plus capables de mesurer l’activité cérébrale en détail et d’utiliser ces données pour restaurer les fonctions perdues des patients, comme la parole. Les technologies qui mesurent les modifications du volume sanguin, des champs magnétiques et des impulsions électriques dues à l’activité cérébrale se développent rapidement.

Cet article est tiré de la deuxième édition de IO Suivant : Le cerveau. Ce magazine regorge d’histoires de scientifiques, d’entrepreneurs et d’innovations qui ont un objectif commun : mieux comprendre le système le plus complexe qui soit.

Communiquer grâce à un appareil mesurant quatre sur quatre mm

Cette technologie se présente sous la forme d’une interface cerveau-ordinateur (BCI) : un petit dispositif mesurant quatre millimètres sur quatre qui peut être placé sur la couche externe ridée du cerveau. Les électrodes de ces petites « grilles » enregistrent en temps réel les signaux des neurones voisins, un ordinateur filtre les composants utiles et les traduit en commandes pour un ordinateur externe. Un BCI n’est pas nouveau, en 2015 un patient a été équipé pour la première fois de cette technologie. Mais le développement de l’IA et apprentissage automatique rendre les développements plus rapides que ce que les scientifiques pensaient possible il y a cinq ans.

Neurodroit

Alors que de plus en plus d’acteurs commerciaux adoptent le BCI, la technologie quitte de plus en plus le monde universitaire et hospitalier. Par exemple, Musk travaille avec Neuralink sur un BCI avec mille électrodes. Plus tôt cette année, il a reçu le feu vert pour tester le BCI sur des humains.

Cela soulève également un débat éthique sur la vie privée et l’identité personnelle des personnes. Par exemple, Musk envisage de relier les BCI aux smartphones. Cela signifierait que les neurodonnées finiraient entre les mains d’entreprises technologiques. Une discussion sur les neurodroits, les réglementations qui devraient protéger l’activité cérébrale des individus contre les abus de BCI, est donc très importante. Dans, entre autres Chili et Espagne Des travaux sont déjà en cours sur une nouvelle constitution qui mentionne spécifiquement les droits neurologiques.

De 0 à 100

« Lorsque j’ai commencé dans ce domaine de recherche il y a dix-huit ans, il n’existait pas encore de technologie permettant d’appliquer réellement la BCI aux humains. Il y a huit ans, nous avons mis en œuvre avec succès un BCI chez un patient. Dans quelques années, nous souhaitons introduire un système entièrement réalisable avec 128 électrodes », déclare Erik Aarnoutse. Il est professeur adjoint à Utrecht-BCI-Lab de l’UMC Utrecht, fondée en 2005 par Nick Ramsey. Sa carrière a été consacrée à une meilleure compréhension de notre cerveau et au développement de la technologie BCI.

Le BCI avancé dont parle Aarnoutse est développé par l’UMC Utrecht en collaboration avec le Université de technologie de Graz, Cortec Neuro (Allemagne) et il Centre WYSS pour la bio et la neuro-ingénierie de Suisse. L’année dernière, le consortium a reçu six millions d’euros de subvention du Conseil Européen de l’Innovation pour le développement d’ABILITY (Active Brain Implant Live Information Transfer system). Il s’agit d’un système d’enregistrement neuronal conçu pour un usage domestique. Il peut amplifier les fréquences basses à élevées de l’activité cérébrale et les transmettre sans fil à un ordinateur.

Détectez les lésions cérébrales en un rien de temps grâce au biocapteur de cette équipe d’étudiants du WUR

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L’équipe étudiante SenseWURk’23 a développé un capteur qui détecte rapidement et précisément les lésions cérébrales. “Une petite goutte de sang suffit”, explique le capitaine de l’équipe Sifre van Teeffelen.

Le système peut détecter les lettres et les mots que les utilisateurs prononcent dans leur tête via des électrodes. Aarnoutse : « Cela permet également aux patients d’engager une conversation au lieu de devoir toujours attendre que quelqu’un les regarde dans les yeux. Cela fait toute la différence.

Un précurseur d’ABILITY (pas encore sans fil, mais avec câble) devrait être implémenté cette année. La mise en œuvre d’un BCI n’est pas simple : les utilisateurs doivent souvent s’entraîner pendant une période prolongée avant de pouvoir contrôler l’appareil. Le BCI avec 128 sur lequel Aarnoutse travaille devrait être en mesure de faire son travail de manière fiable d’ici quelques semaines.

Vous pourriez comparer ce processus à la prise de contrôle d’une nouvelle partie du corps non naturelle. Le BCI doit également apprendre à extraire l’intention de bouger ou de parler de l’activité cérébrale.

Analysez de grandes quantités de données cérébrales avec l’IA

Mais toutes les technologies entourant l’IA se développent très rapidement. « Les algorithmes d’IA peuvent collecter des signaux provenant du cerveau en grand nombre. Pour entraîner un BCI, l’utilisateur doit prononcer un certain mot « dans sa tête » plusieurs fois pendant que les signaux cérébraux sont enregistrés. C’est ainsi que nous formons l’algorithme d’IA. Après cet entraînement, l’algorithme peut reconnaître les mots, sans que nous ayons besoin de savoir exactement ce qu’il recherche. Nous supposons qu’il existe un code dans l’activité électrique des cellules cérébrales. L’IA peut décoder ces signaux beaucoup plus rapidement que les humains ne pourraient jamais le faire », explique Aarnoutse.

Par exemple, des chercheurs de l’Université Radboud et de l’UMC Utrecht ont réussi à convertir les signaux cérébraux en parole audible. En décodant les signaux du cerveau à l’aide d’une combinaison d’implants et d’IA, ils ont pu prédire les mots que les gens voulaient dire avec une précision de 92 à 100 pour cent.

Les chercheurs ont demandé à des personnes non handicapées portant un implant cérébral temporaire de prononcer un certain nombre de mots à haute voix pendant que leur activité cérébrale était mesurée. Nous avons réussi à faire une traduction directe entre l’activité cérébrale d’une part et l’activité de la parole d’autre part.

« L’IA peut déchiffrer les signaux beaucoup plus efficacement et plus rapidement que lorsque nous essayons de comprendre ce qui se passe exactement. Il y a des gens qui disent : il doit y avoir un système plus complexe que le cerveau avant de pouvoir comprendre le cerveau. L’IA pourrait être ce système plus complexe.

Erik Aarnoutse

Un ordinateur puissant et extrêmement complexe

Avec 86 milliards de cellules cérébrales, qui forment en moyenne 10 000 connexions avec d’autres cellules, le cerveau est l’organe humain le plus complexe. Vous pouvez le comparer à un ordinateur très puissant et complexe, dont personne n’a encore pu comprendre, imiter et simuler avec succès la structure complète.

« Notre cerveau est un gigantesque réseau. Lorsque vous apprenez quelque chose de nouveau ou de plus efficace, des connexions sont créées. La complexité réside dans le fait que nous devons apprendre à connaître ces connexions et ces réseaux. Mais comme il y en a tellement, c’est une tâche énorme », explique Aarnoutse. Il décrit sa carrière de chercheur sur le cerveau comme « très intéressante, mais en même temps incroyablement frustrante ».

Le développement de l’intelligence artificielle aura un impact majeur sur la recherche sur le cerveau, estime Aarnoutse. « L’IA peut déchiffrer les signaux beaucoup plus efficacement et plus rapidement que lorsque nous essayons de comprendre ce qui se passe exactement. Il y a des gens qui disent : il doit y avoir un système plus complexe que le cerveau avant de pouvoir comprendre le cerveau. L’IA pourrait être ce système plus complexe.

“Nous sommes tous des cerveaux”

Job van den Hurk est neuroscientifique et directeur scientifique du centre d’IRM à très haut champ Scannexus sur le Brightlands Maastricht Health Campus.