Interface neuronale directe - Définition

Les IND adaptés aux humains

IND invasifs

Des technologies invasives d’IND ont été mises au point dans le but de restaurer la vue ou la mobilité chez l'être humain. Ces systèmes sont connectés directement dans la matière grise du cerveau grâce à la neurochirurgie. Étant connectés directement à la matière grise, ils offrent la meilleure qualité de signal mais sont parfois enkystés, ce qui réduit la qualité du signal, voir l'annule complètement.

Dans le domaine public, William H. Dobelle est un des premiers scientifiques qui fut capable d'implanter une interface destinée à restaurer la vue. Son premier prototype fut implanté sur "Jerry", un homme devenu aveugle adulte en 1978. Un unique réseau de 68 électrodes fut implanté dans son cortex visuel et permit de lui transmette la perception de la lumière.

Le système comportait une caméra montée sur des lunettes, envoyant un signal à l'implant. A l'origine cet implant permit à Jerry de percevoir les nuances du gris dans un champ de vision limité avec une vitesse de rafraîchissement lente. Cela nécessitait aussi qu'il soit relié à un très gros système informatique, mais la miniaturisation de l'électronique et l'augmentation des performances permirent finalement de rendre le système portable. Il put alors réaliser des tâches simple sans assistance.

En 2002, Jens Naumann, qui a aussi perdu la vue à l'âge adulte, est devenue la première d'un groupe de 16 patients qui furent dotés de la seconde génération d'implants Dobelle. Ce fut une des premières offres commerciales de IND.Cette deuxième génération utilise un implant plus sophistiqué qui transmet plus précisément les contours et offre une vision cohérente. Les tâches lumineuses sont réparties dans le champ de vision à la façon « d'étoiles dans la nuit ». Dès la mise en place de son implant Jens pu conduire une voiture à petite allure sur le parking de l'institut de recherche.

Des chercheurs de l'Université Emory à Atlanta, dirigés par Philip Kennedy et Roy Bakay furent les premiers à implanter sur un homme une IND permettant d'émuler le mouvement. Leur patient, Johnny Ray (1944–2002), souffrait d'un ‘syndrome d'enfermement’ après une attaque cérébrale en 1997. L'implant fut branché en 1998 et il vécut suffisamment longtemps pour maîtriser son utilisation et put même piloter un curseur sur un écran d'ordinateur. Il est mort en 2002. D'une rupture d'anévrisme cérébral.

En 2005, le tétraplégique Matt Nagle fut la première personne capable de contrôler une main artificielle grâce à un IND. Il participa pendant 9 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 télévision. 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.

IND partiellement invasifs

Les IND partiellement invasifs utilisent un composant implanté dans la boite crânienne qui ne pénètre pas dans la masse cérébrale. Cette technologie permet une meilleure résolution que les systèmes non invasifs (car le passage à travers la dure-mère distord le signal) et présente moins de risques que la technologie invasive.

L'électrocorticographie (ECoG) mesure l'activité électrique à la manière de l'électroencéphalographie mais grâce à des électrodes placées à l'intérieur de la boite crânienne, entre la dure-mère et le cortex. La technologie ECoG a été testée sur les humains par Eric Leuthardt et Daniel Moran de L'Université de Washington à St Louis à partir de 2004. Une expérience a été menée afin de permettre à un adolescent de jouer au jeux Space Invaders en utilisant un implant EcoG. Cette expérience a prouvé que cette technique offre un contrôle rapide, nécessitant peu d'adaptation et qu'elle constitue un compromis idéal entre qualité de signal et risque pour l'homme.

(Note: Ces électrodes ne furent pas implantées dans le cerveau du patient uniquement pour des raisons expérimentales. Ceci serait non éthique. Ce patient souffrait d’épilepsie sévère et on lui implanta temporairement les électrodes pour localiser le foyer de la maladie. Les chercheurs en profitèrent.)

Les IND utilisant une technologie d'« imagerie fonctionnelle portable » sont théoriquement réalisables. Ceci nécessiterait l'implantation d'un laser dans la boite crânienne. Le laser serait focalisé sur un seul neurone et la réflexion serait mesurée par un senseur distinct. Quand le neurone s'active la réflexion est modifiée. Ceci perme de visualiser l'activité neurone par neurone.

Ce signal peut être subdural ou épidural, et ne nécessite pas de pénétrer le parenchyme lui-même. Il existe peu d'études à ce sujet par manque de cobayes. Actuellement la seule occasion de tester cette technologie se présente sur des patients qui nécessitent un monitoring invasif pour localiser une zone de résection d'un centre épileptique.

ECoG est un très bon compromis car elle offre une bonne résolution spatiale, un rapport signal/bruit faible, une large réponse en fréquence et nécessite moins d'entraînement que l'EEG extra crânien. Cette technologie est aussi moins complexe, présente moins de risques cliniques et probablement une plus grande stabilité que le monitoring mono neurone. Ceci permet d'envisager une mise en oeuvre grand public.

IND non invasifs

Des technologies non invasives ont été testées sur l'homme. Elles utilisent l'imagerie médicale. Ce type de signal a été utilisé pour induire des mouvements sur des cobayes volontaires. Actuellement ces technologies offrent une faible résolution car le signal est altéré par la traversée de la boite crânienne, mais elles sont bien plus simples à porter. Les ondes cérébrales peuvent effectivement être détectées mais la précision ne descend pas au niveau d'un neurone unique.

EEG

L'électro-encéphalographie (EEG) est la technologie non invasive qui a été la plus étudiée, car elle offre une très bonne résolution temporelle, est facile à mettre en oeuvre, portable et économique. Néanmoins, elle est pénalisée par la présence de bruits et l'utilisation de l'EEG en tant que IND nécessite un entraînement intensif. Par exemple, lors d'expériences menées dans les années 1990, Niels Birbaumer de l'Université Eberhard Karl de Tübingen en Allemagne, entraîna des patients gravement paralysés à réguler leur « potentiel cortical faible » mesuré par l'EEG afin de pouvoir contrôler un curseur d'ordinateur (Birbaumer avait précédemment entraîné des patients épileptiques à éviter les crises par le contrôle de cette onde de faible potentiel). Cette expérience permit à dix patients de contrôler un curseur d'ordinateur par la maîtrise de leurs ondes cérébrales. Le procédé était lent : après un entraînement de plusieurs mois, il fallait toujours plus d'une heure pour écrire 100 caractères.

Birbaumer's a ensuite travaillé avec Jonathan Wolpaw, de l'Université de l'État de New York, à développer une technologie qui permette au patient de choisir le type d'onde cérébrale la plus facile à utiliser parmi les ondes mu et les ondes bêta.

Ces méthodes nécessitent d'éduquer le patient à moduler ses ondes cérébrales en se basant sur la mesure de ses ondes (feedback). Elles sont contrôlées volontairement par le patient et ont donc une forte influence sur l'expérimentation. Afin de déterminer l'influence du patient sur l'expérience, des études portant sur les signaux P300 ont été menées. A la différence des signaux mesurés précédemment, ces ondes sont générées de manière involontaire, (voir Potentiel évoqué) en fonction des perceptions des patients. Leur étude permet donc de reconnaître les pensées du patient sans avoir à l'entraîner au préalable. C'est la réponse naturelle de son cerveau lorsqu'il reconnaît quelque chose.

Lawrence Farwell et Emanuel Donchin ont développé une IND utilisant la technologie de l'EEG à la fin des années 1980. Cette "prothèse mentale" mesure les ondes P300 générées par des patients dont certain sont atteints de paralysie dues à un syndrome d'enfermement et leur permet de communiquer des commandes, lettres et mots à un ordinateur. Ceci leur a même permit de parler grâce à un synthétiseur vocal. Beaucoup d'autres équipements de ce type ont été développés depuis cette époque. Par exemple, en 2000, la chercheuse Jessica Bayliss de l'Université de Rochester a montré que des volontaires équipés d'un casque de réalité virtuelle, lisant les ondes P300, peuvent contrôler les éléments d'un monde virtuel.

Au début des années 1990, Babak Taheri, de l'Université de Californie à Davis présenta un nouveau type de capteur actif pour l'EEG. Cet équipement ne nécessite pas de préparation de la peau du patient, ne nécessite pas d'électrolyte conducteur et utilise des capteurs dont la taille est très réduite. Cette technologie, utilisée en mono-canal fut publiée en 1994. Ce système actif utilise 4 zones de mesure et incorpore une électronique miniaturisée pour améliorer le rapport signal/bruit, ainsi que la batterie. Des tests de fonctionnement furent réalisés sur des humains, selon 4 modes :

1. EEG spontané
2. mesure des potentiels évoqués au niveau des capteurs
3. mesure du potentiels des cellules cérébrales
4. potentiels évoqués liés à la cognition.

La performance de ce capteur « à sec » se révéla meilleure que celle présentée par les électrodes traditionnelles à l'Argent/Chlorure d'argent en terme de préparation de la peau et de rapport signal/bruit.

En 1999, des chercheurs de l'Université Case Western Reserve, dirigés par Hunter Peckham, utilisa un système de casque EEG à 64 électrodes pour restaurer partiellement les mouvements de la main du patient quadriplégique Jim Jatich. Il lui suffisait de ce concentrer sur des concepts simples et opposés comme « vers le haut / vers le bas » et ses ondes bêta étaient analysées par un logiciel pour identifier les formes de signaux associées. Une forme d'onde basique fut identifiée et permit de contrôler l'utilisation d'un interrupteur. Le concept « vers le haut » permettait de l'allumer, quand « vers le bas » permettait de l'éteindre. Le signal capté fut aussi redirigé vers les récepteurs nerveux de ses mains et permis de restaurer quelques mouvements.

La théorie des réseaux neuronaux permet de simuler sur ordinateur le fonctionnement du cerveau. En 2004, des expériences visant à simuler la phase d'apprentissage de réponse à des stimuli ont permis aux scientifiques de la Fraunhofer Society de réduire la phase d'apprentissage à 30 minutes.

Eduardo Miranda après avoir étudié, grâce à l'EEG, l'activité mentale de patients écoutant de la musique a créé une technologie pour leur permettre de s'exprimer musicalement en utilisant un « électroencéphalophone ».

La compagnie Emotiv Systems a produit un contrôleur de jeux vidéo grand public qui utilise des capteurs électromagnétiques.

MEG et IRM

Les technologies non invasives de la magnétoencéphalographie (MEG) et de l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ont été utilisées avec succès en tant qu'interface cerveau ordinateur. Plusieurs expériences rapportent que des patients ont été capables de jouer au jeu électronique Pong en temps réel par le contrôle volontaire de la réponse hémodynamique du flux sanguin dans leur cerveau (expérience de biofeedback). La mesure hémodynamique réalisée par IRMf, en temps réel, permet aussi de contrôler les mouvements d'un robot.

Plus récemment, au laboratoire « Computational Neuroscience » de la compagnie Advanced Telecommunications Research (ATR), à Kyōto, des scientifiques ont reconstruit sur ordinateur des images captées directement dans le cerveau. Le 10 décembre 2008, cette expérience fit la une du journal « Neuron ». Alors que les premières images étaient en noir et blanc dans une résolution de 10*10 pixels, les chercheurs pensent pouvoir reconstruire des images en couleur et même enregistrer les rêves.

Commercialisation

John Donoghue et ses collègues ont fondé la société « Cyberkinetic Neurotechnology Inc », qui est dors et déjà cotée sur le marché US. Cette entreprise commercialise une gamme de capteurs utilisant la technologie BrainGate, elle même fondée sur le capteur Utah Array développé par Dick Normann. Cyberkinetic Neurotechnology Inc a pour objectif principale de proposer des interface cerveau ordinateur destinées à l'homme.

Philip Kennedy a créé Neural Signals en 1987 pour développer des IND permettant à des patients paralysés de communiquer et de contrôler des équipements. La compagnie commercialise des IND invasifs ainsi qu'un implant permettant de transmettre la parole. Les électrodes sont inclues dans du verre contenant des protéines afin d'améliorer la liaison aux neurones.

Bien que 16 patients payant ont reçu la prothèse de vision proposée par William H. Dobelle, la commercialisation a été arrêtée après sa mort en 2004. La compagnie Avery Biomedical Devices, qu'il contrôlait en association avec l'Université de Stony Brook, développe un nouvel implant qui n'a pas encore reçu l'agrément de la Food and Drug Administration.

La compagnie Ambient, a fait la démonstration du produit « The Audeo » lors d'une conférence des développeurs IT au début de l'année 2008. Cet équipement permet de communiquer par la pensée. Le traitement du signal permet de reproduire le discours d'une personne an captant directement son intention de parler.

Mindball est un jeu développé et vendu par la compagnie « Interactive Productline ». Les joueurs sont en compétition pour contrôler le déplacement d'une balle sur une table de jeu par le seul moyen de leur concentration mentale. Interactive Productline est une entreprise suédoise dont l'objectif est de développer et vendre des produits simples utilisant la technologie de l'EEG pour améliorer les capacités de relaxation et de concentration.

Une compagnie autrichienne, « Guger Technologies », g.tec, propose des interfaces cerveau ordinateur depuis 1999. Cette entreprise offre des produits basiques et polyvalents pour permettre à la communauté scientifique de développer des équipements spécifiques. Ceci inclut le P300 Speller, Motor Imagery et Mu-rythm. Ils commercialisent aussi une solution de capture des potentiels évoqués visuels.

La compagnie espagnole Starlab, propose depuis 2009 un système 4 canaux nommé ENOBIO. Ce produit est conçu comme une plateforme de développements.

Pour résumer, il existe actuellement 3 entreprises commercialisant des produits grand public, principalement pour jouer :

• Neural Impulse Actuator
• Emotiv Systems
• NeuroSky