Les interfaces neuronales

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Un des plus grands défis auxquels sont confrontés les chercheurs dans ce domaine est la mécanique de base de l’interface. La méthode la plus simple et la moins invasive est un ensemble d’électrodes, un dispositif connu sous le nom d’ électroencéphalographe (EEG) – attaché au cuir chevelu. Les électrodes peuvent lire les signaux du cerveau. Cependant, la boite crânienne a tendance à déformer les signaux qui passent au travers. Cela pousse les scientifiques à utiliser d’autres méthodes plus invasives.

Interface neuronale directe

Une interface neuronale directe – aussi appelée IND ou BCI (brain-computer interface pour interface cerveau-ordinateur) est une interface de communication directe entre un cerveau et un dispositif externe tel qu’un PC ou un appareil électronique.
Le champ d’application de ces nouveaux systèmes est très étendu et va l’assistance aux personnes qui ont perdu certaines fonctions humaines aux utilisateurs souhaitant interagir avec des appareils électroniques telles que des consoles de jeux-vidéos. En effet, les récentes avancées en ce domaine ont permis de restaurer des facultés perdues (comme l’ouïe, la vue ou même les mouvements), mais est capable 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).
Les des intérêts de cette technologie réside en des temps de réponse extrêmes faibles car on s’affranchit de la chaîne de réaction « cerveau, nerfs, muscles, interface conventionnelle homme-machine ». En effet, contrairement aux interfaces classiques comme le clavier ou la souris, il n’est pas nécessaire de transformer la pensée en activité musculaire (le mouvement du doigt pour cliquer sur la souris par exemple), le lien se fait directement par interprétation du signal électrique sans aucune transformation préalable de celui-ci.
Grâce à la forte plasticité du cerveau, il a été constaté que l’influx nerveux produit par les prothèses peut, après un temps d’adaptation, être traité comme un influx naturel.

Principe de fonctionnement

Les interfaces neuronales directes unidirectionnelles sont constituées de capteurs placés sur le crane de l’utilisateur afin d’envoyer de l’information vers une machine ou en recevoir depuis une machine. Il existe également des IND bidirectionnelle qui permettent un échange d’information dans les deux sens.
Le principe des neuroprothèses est d’émuler les fonctions du système nerveux humain. Certaines interfaces neuronales directe sont implantées dans le cerveau afin d’interagir sur la base des propriétés électriques des neurones.

Application médicale

Plusieurs générations d’implant ont vu le jour. Par exemple, dans les années 2000, les implants Dobelle ont permis à des patients qui ont perdu la vue de la retrouver, de façon dégradée. Une génération plus récente a permis d’améliorer le contour des objets perçus.
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.
Dans les grandes lignes, une méthode consiste à détecter les signaux émis par le cerveau afin de les interpréter. Ainsi, les chercheurs pourraient comprendre quels types de signaux sont envoyés au cerveau par le nerf optique quand quelqu’un voit la couleur rouge. Ils pourraient ensuite créer un appareil qui enverrait les mêmes signaux dans le cerveau de quelqu’un à chaque fois qu’un caméra voit du rouge, ce qui permet à une personne aveugle de «voir» sans yeux.

Interface neuronale directe invasives

Ces technologies invasives d’IND ont été mises au point dans le but de restaurer la vue ou la mobilité d’êtres humains. Ces systèmes sont placés directement dans la matière grise du cerveau grâce à la neurochirurgie.

Interface neuronale directe partiellement invasives

Les IND partiellement invasifs ne pénètrent pas dans la masse cérébrale mais sont implantés dans la boîte crânienne. Cette technologie présente moins de risques que la technologie invasive.

Interface neuronale directe non invasives

Les IND non invasives utilisent l’imagerie médicale pour interagir avec le cerveau. L’inconvénient de cette technique que l’onde cérébrale qui doit traverser la boite crânienne est altéré. La précision est donc moins bonne qu’avec les techniques précédentes. L’électro-encéphalographie (EEG) est une technologie non invasive très rependue car offrant de très bon résultat pour un coût relativement restreint.
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 ».

Applications non médicales

Le monde du jeu vidéo est un acteur très dynamique dans ce domaine tout comme l’armée.
En 2008 au Japon, des scientifiques sont parvenus à reconstruire sur ordinateur des image captées directement dans le cerveau et en 2013, toujours au Japon, des chercheurs de l’université de Kyoto parviennent à identifier une partie du contenu des rêves de patients en état hypnagogique grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et en proposent une reproduction vidéo.
Des entreprises comme Neural Impulse Actuator, Emotiv Systems et NeuroSky commercialisent désormais des produits grand public, principalement pour jouer par IND.

Applications militaires

Les forces armées des États-Unis ont développé des interfaces cerveau ordinateur afin d’améliorer la performance de ses troupes. Parmi les projets développés, DARPA doit permettre la communication d’homme à homme sur le champ de bataille, sans utiliser la parole, grâce à l’analyse du signal neuronal.

Interface sur des cultures de cellules

Des projets visant à stimuler et enregistrer l’activité de neurones connectés sur une puce électronique (neuroélectronique ou neuropuce) ont été lancés. L’un des objectifs est de mettre en place des solutions visant à résoudre des problèmes. Ainsi, une expérience visant à utiliser un réseau de neurones de rat pour piloter un simulateur d’avion de chasse a été menée. Cette permit de comprendre les mécanismes d’apprentissage du cerveau, à un niveau cellulaire.

Pour en savoir plus :

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