Le progrès des interfaces cerveau-machine et l’apport de Neuralink

Elon Musk a attiré beaucoup d’attention avec l’annonce du 16 juillet 2019 que sa société Neuralink prévoyait d’implanter des électrodes dans le cerveau des personnes paralysées d’ici 2020. Leur premier objectif est de créer une technologie d’assistance pour aider les personnes qui ne peuvent pas bouger ou qui sont incapables de communiquer.

Les interfaces cerveau-machine

Si vous n’y prêtez pas l’attention, les interfaces cerveau-machine (ICM) qui permettent aux utilisateurs de contrôler leurs bras robotiques avec leurs pensées peuvent sembler de la science-fiction. Mais les efforts de la science et de l’ingénierie l’ont déjà concrétisé.

Dans quelques laboratoires de recherche dans le monde, scientifiques et médecins implantent des dispositifs dans le cerveau de personnes qui ont perdu la capacité de se contrôler les bras ou les mains depuis plus de dix ans. Dans notre propre groupe de recherche à l’Université de Pittsburgh, nous avons permis aux personnes aux bras et aux mains paralysés de contrôler des bras robotiques leur permettant de saisir et de déplacer des objets avec une relative relative aisance. Ils peuvent même ressentir des sensations tactiles de leur propre main lorsque le robot saisit des objets.

Fondamentalement, des interfaces cerveau-machine sont assez simples. Dans votre cerveau, des cellules microscopiques appelées neurones se transmettent des signaux tout le temps. Tout ce que vous pensez, faites et ressentez lorsque vous interagissez avec le monde qui vous entoure est le résultat de l’activité de ces 80 milliards de neurones.

Si vous implantez un minuscule fil très proche de l’un de ces neurones, vous pouvez enregistrer l’activité électrique qu’il génère et l’envoyer à un ordinateur. Enregistrez suffisamment de signaux de la bonne région du cerveau pour pouvoir contrôler des ordinateurs, des robots ou tout autre objet de votre choix, simplement en pensant au déplacement. Cependant, cela présente d’énormes défis techniques, en particulier si vous souhaitez enregistrer à partir de centaines, voire de milliers, de neurones.

Ce que Neuralink apporte à la table

Elon Musk a fondé Neuralink en 2017 dans le but de relever ces défis et de relever le niveau des interfaces neurales implantées.

L’aspect le plus impressionnant du système de Neuralink est peut-être la largeur et la profondeur de son approche. Construire des  interfaces cerveau-machine est intrinsèquement interdisciplinaire et requiert une expertise dans la conception d’électrodes et la microfabrication, les matériaux implantables, les méthodes chirurgicales, l’électronique, l’emballage, les neurosciences, les algorithmes, la médecine, la réglementation, etc. Neuralink a créé une équipe qui couvre la plupart, voire la totalité de ces domaines.

La taille des fils, attachée à un doigt pour l’échelle – Crédit : Neuralink

Grâce à toute cette expertise, Neuralink fait sans aucun doute progresser le domaine et améliore rapidement sa technologie. Individuellement, de nombreux composants de leur système représentent un progrès significatif sur des voies prévisibles.

Par exemple, leurs électrodes, qu’ils appellent des fils, sont très petites et flexibles; de nombreux chercheurs ont essayé d’exploiter ces propriétés pour minimiser le risque que la réponse immunitaire du cerveau rejette les électrodes après l’insertion. Neuralink a également mis au point des composants électroniques miniatures hautes performances, qui constituent un autre domaine d’intervention des laboratoires travaillant sur les ICM.

Une interface neuronale à 3 000 électrodes

Cependant, dans les milieux universitaires, on oublie souvent comment un système entier serait efficacement implanté dans le cerveau.

Les interfaces cerveau-machine de Neuralink nécessite une intervention chirurgicale au cerveau. En effet, les électrodes implantées qui sont en contact intime avec les neurones seront toujours plus performantes que les électrodes non invasives lorsque les neurones sont éloignés des électrodes situées à l’extérieur du crâne. Une question cruciale consiste donc à savoir comment minimiser les difficultés chirurgicales liées à l’introduction du dispositif dans le cerveau.

La “machine à coudre” de Neuralink pour l’insertion des fils dans le cerveau

L’aspect le plus impressionnant de l’annonce de Neuralink est probablement la création d’une interface neuronale à 3 000 électrodes permettant l’implantation d’électrodes à une vitesse comprise entre 30 et 200 par minute. Chaque fil d’électrodes est implanté par un robot chirurgical sophistiqué qui agit essentiellement comme une machine à coudre. Tout cela se produit tout en évitant spécifiquement les vaisseaux sanguins qui recouvrent la surface du cerveau. La robotique et l’imagerie qui permettent cet exploit, avec une intégration étroite à l’ensemble du dispositif, sont frappantes.

Neuralink a réfléchi au défi de développer des interfaces cerveau-machine cliniquement viable du début à la fin, contrairement à ce que peu de groupes ont fait, bien qu’ils reconnaissent que de nombreux défis restent à surmonter pour pouvoir intégrer cette technologie aux patients humains en clinique.

Déterminer ce que plus d’électrodes vous apporte

La recherche de dispositifs implantables comportant des milliers d’électrodes ne relève pas uniquement des sociétés privées. DARPA, l’Initiative NIH BRAIN et des consortiums internationaux travaillent sur des neurotechnologies pour l’enregistrement et la stimulation dans le cerveau avec des objectifs correspondant à des dizaines de milliers d’électrodes. Mais que pourraient faire les scientifiques avec les informations de 1 000, 3 000 voire peut-être 100 000 neurones ?

À un certain niveau, il se peut que des appareils avec plus d’électrodes ne soient pas réellement nécessaires pour avoir un impact significatif sur la vie des gens. Un contrôle efficace des ordinateurs pour l’accès et la communication, des membres robotiques pour saisir et déplacer des objets ainsi que des muscles paralysés existe déjà chez l’homme. Et ce depuis plusieurs années.

Depuis les années 1990, l’Utah Array, qui ne compte que 100 électrodes et est fabriqué par Blackrock Microsystems, est un appareil essentiel en neuroscience et en recherche clinique. Cette matrice d’électrodes est autorisée par la FDA pour un enregistrement neuronal temporaire. Plusieurs groupes de recherche, y compris le nôtre, ont implanté Utah Arrays chez des personnes de plusieurs années.

Très loin d’augmenter les capacités humaines

À l’heure actuelle, les contraintes les plus importantes sont liées aux connecteurs, à l’électronique et à l’ingénierie système et non à l’électrode implantée elle-même, bien que l’augmentation de la durée de vie des électrodes à plus de cinq ans représenterait une avancée significative. Au fur et à mesure que ces capacités techniques s’améliorent, il se peut que la capacité de contrôler avec précision les ordinateurs et les robots soit davantage limitée par la compréhension qu’ont les scientifiques de ce que les neurones disent, c’est-à-dire le code neuronal, que par le nombre d’électrodes sur le périphérique.

Les interfaces cerveau-machine peuvent transformer les signaux du cerveau en commandes pour les bras robotiques – Crédit UPMC/Pitt Sciences de la santé, CC BY-NC-ND

Même le système implanté le plus performant et peut-être même les dispositifs les plus performants que les chercheurs puissent raisonnablement imaginer, pourrait ne pas atteindre l’objectif consistant à augmenter les performances humaines qualifiées. Néanmoins, l’objectif de Neuralink de créer de meilleurs interfaces cerveau-machine a le potentiel d’améliorer la vie des personnes qui ne peuvent pas bouger ou qui sont incapables de communiquer. À l’heure actuelle, la vision de Musk d’utiliser les ICM pour associer le cerveau physique et l’intelligence à un cerveau artificiel n’est qu’un rêve.

Alors, à quoi ressemblera l’avenir de Neuralink et des autres groupes créant des interfaces cerveau-machine implantables ? Les appareils avec plus d’électrodes qui durent plus longtemps et qui sont connectés à des composants électroniques sans fil plus petits et plus puissants sont essentiels. Les meilleurs appareils eux-mêmes, cependant, sont insuffisants.

De l’espoir pour les paralysés et les blessures graves

La poursuite des investissements publics et privés dans les entreprises et les laboratoires de recherche universitaires, ainsi que des moyens novateurs permettant à ces groupes de travailler ensemble pour partager des technologies et des données, seront nécessaires pour réellement faire progresser la compréhension du cerveau des scientifiques et tenir la promesse des ICM d’améliorer la vie des gens.

Les chercheurs doivent garder à l’esprit les implications sociétales futures des neurotechnologies avancées, les éthiciens et les régulateurs ont un rôle essentiel à jouer, les ICM pourraient être véritablement transformateurs, car ils aideraient davantage de personnes à surmonter les limitations causées par des blessures ou des maladies du cerveau et du corps.

Traduction d’un article de The Conversation par Robert Gaunt et Jennifer Collinger, professeurs associés de médecine et de réhabilitation à l’université de Pittsburgh.

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