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Posté par Redbran le Samedi 04/03/2017 à 00:00
Interface cerveau-machine: le trafic enfin bidirectionnel
Depuis les années septante, les scientifiques travaillent sur les interfaces cerveau-machine. L'usage de neuro-prothèses en cas de paralysie ou d'amputation en est l'une des applications. Afin de pouvoir compenser la perte motrice, un membre bionique (La bionique est une science qui se base sur l'étude des systèmes biologiques pour le développement de systèmes non biologiques susceptibles d'avoir des applications technologiques.) actionné par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) cérébrale permet de retrouver une certaine mobilité. Pour ce faire, les chercheurs enregistrent à l'aide d'électrodes l'activité des neurones et la traduisent en commandes. Ces actions permettent le mouvement du membre robotique. Toutefois, ce système manque cruellement de précision, ceci étant notamment lié à l'absence de perceptions sensorielles du membre artificiel. Des neuroscientifiques de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) de Genève (UNIGE) se sont alors demandés s'il était possible de transmettre au cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la...) cette sensation manquante par stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action,...) neuronale. Ils ont ainsi découvert que non seulement ils pouvaient rendre accessibles au cerveau ces sensations artificiellement, mais aussi que leur apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences,...) se faisait très rapidement. Cette découverte, à lire dans le journal scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) Neuron, est effectuée en utilisant uniquement des moyens d'imageries et de stimulations optiques, offrant une nouvelle alternative à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'électrodes classiques.


Une nouvelle interface cerveau-machine optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) ouvrant la voie à une communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter-...) bidirectionnelle avec le cerveau. Le laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) permet d'imager l'activité neuronale de la souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de...) et ainsi le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du bras robotique. Le laser bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan...) va ensuite livrer une microstimulation optique au cerveau, retransmettant la position du bras. © Daniel Huber, UNIGE

La fonction motrice nous permet d'interagir avec le monde (Le mot monde peut désigner :). Dès lors, compenser la perte d'un membre par l'usage d'une prothèse (Une prothèse est un dispositif artificiel destiné à remplacer un membre, un organe ou une articulation.) robotique est au coeur de nombreuses recherches, mais les succès dans ce domaine sont encore rares. Pourquoi ? Jusqu'à aujourd'hui, l'interface cerveau-machine fonctionne principalement grâce à la perception visuelle: je vois le bras bionique et je le fais bouger. Les informations sont donc transmises de manière unidirectionnelle entre le cerveau et la machine. Toutefois, le corps ne fonctionne pas uniquement sur la vision, mais surtout sur la proprioception, c'est-à-dire sur la perception du corps dans l'espace. "Nous nous sommes alors interrogés sur la possibilité de mettre en place un trafic bidirectionnel entre le cerveau et la machine: à la fois lire l'activité neuronale, la traduire en mouvement robotique et réinjecter un retour d'informations sensorielles de ce mouvement dans le cerveau", explique Daniel Huber, professeur au Département de neurosciences (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que pathologiques, des neurones et du...) fondamentales de la Faculté de médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant...) de l'UNIGE.

Injecter la sensation du mouvement de manière artificielle

L'équipe de Daniel Huber est spécialisée en méthodes d'enregistrements et de stimulations optiques, laissant de côté les électrodes plus invasives. Il s'agit alors de mesurer l'activité de chaque neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire...) individuellement à l'aide d'un microscope biphotonique. "Nous avons voulu voir si les souris sont capables d'apprendre à contrôler un bras bionique uniquement à l'aide d'un retour de sensation artificielle", explique Mario Prsa, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) à l'UNIGE et premier auteur de l'étude. "Nous avons dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) observé l'activité des neurones dans le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.) moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il...). Lorsque la souris décharge le bon neurone, celui qui génère le mouvement, nous réinjectons simultanément cette information dans le cortex sensoriel à l'aide d'une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) bleue." En effet, les neurones sensoriels ont été rendus photosensibles à cette lumière, ce qui leur permet d'être activés par une série de flashs et ainsi intégrer l'information sensorielle. A chaque bon usage neuronal, la souris reçoit une récompense et 20 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) plus tard, une fois ce mécanisme compris, le rongeur parvient plus fréquemment à activer correctement le neurone.

Cela signifie que non seulement la souris perçoit l'information sensorielle du mouvement, mais qu'elle l'intègre efficacement. L'interface cerveau-machine fonctionne ainsi de manière bidirectionnelle. Les chercheurs genevois pensent que cette alternative sensorielle s'apprend rapidement, car elle est fondée sur un mode de fonctionnement très naturel et basique du cerveau. Sentir nos membres se fait sans réflexion et concerne les mécanismes de base des circuits neuronaux. Dès lors, ce type d'interface pourrait permettre dans le futur de faire bouger un bras bionique plus rapidement, sentir l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) touché ou percevoir la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) nécessaire pour l'empoigner.

A présent, les neuroscientifiques de l'UNIGE regardent comment construire un retour sensoriel encore plus efficace. Aujourd'hui, ils sont capables de le faire pour un mouvement, mais est-ce possible de faire de multiples retours sensoriels pour des mouvements simultanés ? Ces recherches jettent les bases du développement d'une nouvelle génération de neuro-prothèses bidirectionnelles, plus précises.

Un seul neurone nécessaire au mouvement

L'utilisation des moyens optiques permet également d'observer les neurones impliqués lors de l'apprentissage de la souris. "Nous savons qu'il y a des millions de connections neuronales. Pourtant, nous avons constaté que le rongeur n'activait que le neurone que nous avions choisi pour l'exécution du mouvement, et qu'il ne sollicitait pas d'autres neurones avoisinants, ajoute Daniel Huber. C'est une découverte très intéressante, car maintenant nous savons que le cerveau peut contrôler un seul et unique neurone de manière volontaire." Les chercheurs pourraient alors utiliser ce savoir pour développer des approches de décodage plus précises et stables. Reste à découvrir quels mécanismes sont impliqués dans la sélection de l'unique neurone activé.

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Source: UNIGE - Université de Genève