Interface neuronale directe

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Schéma d'une interface neuronale directe

Une interface neuronale directe (peut être nominé par IND, BCI, brain-computer interface ou interface cerveau-machine) est une interface de communication directe entre un cerveau et un dispositif externe (ordinateur, outil électronique, etc). Celle-ci peut être unidirectionnelle ou bidirectionelle. 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 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^[1].

[modifier] Les principes

Une BCI unidirectionnelle peut envoyer vers une entrée machine ou recevoir à partir d'une sortie machine des informations, mais jamais les deux car chaque interface est destinée à un usage spécifique, comme tout matériel d'entrée-sortie en informatique. En revanche, une BCI bidirectionelle peut à la fois émettre et recevoir des informations mais reste encore à expérimenter sur un animal ou un homme.

Une interface neuronale directe est implanté dans un cerveau, et désigne à la fois le cortex humain, animal ou une culture de neurones. Le cerveau ne doit pas être compris comme « une entité capable de raisonnement logique », puisque seules les propriétés électriques des neurones sont exploitées.

[modifier] Historique

Les premières études, développants des algorithmes destinés à reconstruire des mouvements à partir des neurones du cortex moteur, foyer du contrôle des mouvements, datent des années 70. D'autres travaux, réalisés en groupe sous la direction de Schmidt, Fetz et Baker dans la même période établirent que, par une méthode d'entraînement par punition et récompense, des singes pouvaient rapidement apprendre à contrôler par la volonté la fréquence de neurones individuels du cortex moteur primaire.

Dans les années 80, le docteur de la Johns Hopkins University Apostolos Georgopoulos met en évidence chez les singes rhésus une relation mathématique (basée sur une fonction sinusoïdale) entre les réponses électriques de neurones du cortex moteur et la direction dans lesquelles ces singes mouvaient leurs bras. Il montra de plus que des groupes de neurones dispersés dans diverses zones du cerveau contrôlaient collectivement les commandes motrices, mais était seulement capable alors, du fait des limites de l'équipement employé, d'enregistrer le signal des neurones dans une zone et à un instant donné.

Les années 90 virent un rapide développement des BCI. De nombreux groupes de recherche (dirigés par exemple par Richard Andersen, John Donoghue, Phillip Kennedy, Miguel Nicolelis ou Andrew Schwartz) furent alors capables d'enregistrer, à partir de groupes de neurones, des signaux complexes du centre moteur et les exploitèrent afin de contrôler des dispositifs externes.

La première BCI intercorticale, destinées à être implantées neurotrophic-cone electrodes (à traduire) chez des singes, fut conçue par Phillip Kennedy et ses collègues.

En 1999, les recherches dirigées par Garrett Stanley à l'Université d'Harvard permirent de décoder. Aujourd'hui, suite à des expérimentations animales, des implants humains sont à présents valides et ont faits preuve de leur efficacité grâce à l'extraordinaire plasticité corticale du cerveau, s'adaptant toujours aux BCI implantées comme à un membre naturel.

[modifier] Les application

Grâce aux récentes avancées effectuées ces derniers temps, un BCI permet non seulement de restaurer des facultés perdues (comme l'ouïe, la vue ou même les mouvements) mais sommes capables 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).

[modifier] Communication par interface neuronale

Les patients dont les capacités de communication ont été altérées, peuvent bénéficier de la technologie d'une interface neuronale directe (entre autre 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.

[modifier] La neuroprostétique

La neuroprostétique est une neuroscience traitant des prothèses neuronales, c'est à dire utilisant des dispositifs artificiels afin de restaurer les fonctions d'un système nerveux ou d'un organe sensoriel endommagé, la neuroprotèse la plus répandue étant l'implant cochléaire, utilisés sur plus de 100 000 personnes depuis 2006. Il existe bien entendu un grand nombre d'autres prothèses, comme par exemple l'implant rétinien.

La principale différence entre les BCI et les prothèses neuronales réside en leur sémantique respective : alors que le terme "prothèse neuronale" est le plus souvent employé en référence à des dispositifs cliniques, celui de BCI suppose encore un stade expérimentale. De plus, le terme BCI est bien plus restreint, puisque une neuro-protèse peut être reliée à toute partie du système nerveux, comme des nerfs périphériques, tandis qu'une BCI renvoie toujours à une implantation cérébrale directe.

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.

[modifier] Recherche animale

Plusieurs laboratoires ont réussi à enregistrer des signaux de cortex cérébral de rat ou singe afin de réaliser des BCI permettant de mettre en œuvre des mouvements. Des singes ont pu commander des curseurs d'ordinateur sur un écran et commander des bras robotiques, réalisant des tâches simples par la simple force de la pensée et sans aucun signal moteur. D'autres recherches ont permis de décoder des signaux visuels sur des chats.

[modifier] Éthique

Les discussions sur les implications éthiques des BCI ont été relativement discrètes. C'est peut-être parce que la recherche est riche de promesses dans la lutte contre les handicaps et les chercheurs n'ont pas encore attiré l'attention des groupes de défense des droits des animaux. Cela peut aussi être parceque les BCI sont utilisés pour obtenir des signaux pour contrôler les périphériques plutôt que l'inverse, même si la recherche sur la vision reste une exception.

Ce débat éthique va probablement s'intensifier au fur et à mesure que les BCI deviendront techniquement avancés et il devient apparent qu'ils ne seront pas seulement utilisés de manière thérapeuthique mais aussi pour l'amélioration de l'humain. Les pacemakers du cerveau actuels, qui sont déjà utilisés pour traiter les conditions neurologiques comme la dépression pourraient devenir un type de BCI et être utilisé pour modifier le comportement. Les puces neuronales pourraient aussi se developper encore plus, par exemple avec un hippocampe artificiel, soulevant des problèmes sur la grande question du : qu'est ce qu'être véritablement humain ?

Quelques unes des considérations éthiques soulevées par les BCI dans ces circonstances sont d'ores et déjà débattues pour ce qui est de la relation avec les implants du cerveau et ce qui s'approche du contrôle mental.