Percée dans le contrôle mental : l'interface cerveau-machine à ultrasons pionnière de Caltech

par Manuel Costa
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Ultrasound Brain-Machine Interface

Percée dans le contrôle mental : l'interface cerveau-machine révolutionnaire de Caltech utilisant les ultrasons

Les dernières avancées dans les interfaces cerveau-machine (IMC) ont introduit l’échographie fonctionnelle (fUS), une technique non invasive de surveillance de l’activité cérébrale. Cette innovation révolutionnaire donne des résultats prometteurs en permettant un contrôle précis des appareils électroniques dans un délai minimal, éliminant ainsi le besoin de réétalonnages fréquents.

L'échographie fonctionnelle (fUS) représente un progrès significatif dans la technologie de l'interface cerveau-machine, offrant une approche moins invasive pour interpréter l'activité cérébrale dans le but de contrôler les appareils électroniques.

Les IMC sont des appareils conçus pour lire l'activité cérébrale et la traduire en commandes pour des appareils électroniques, tels que des prothèses ou des curseurs informatiques. Ils ont le potentiel de permettre aux personnes paralysées de manipuler des prothèses en utilisant leurs pensées.

Les IMC traditionnels nécessitent souvent des procédures chirurgicales invasives pour implanter des électrodes directement dans le cerveau afin de capturer l'activité neuronale. Cependant, en 2021, des chercheurs de Caltech ont introduit une nouvelle méthode de surveillance de l’activité cérébrale utilisant l’échographie fonctionnelle (fUS), une technique beaucoup moins invasive.

Échographie fonctionnelle : transformer les IMC

Une étude récente sert de preuve de concept selon laquelle la technologie fUS pourrait soutenir un IMC « en ligne ». Un tel IMC permettrait non seulement de lire l'activité cérébrale, mais aussi de décoder sa signification grâce à des algorithmes d'apprentissage automatique, contrôlant ensuite un ordinateur dans un délai minimal tout en prédisant avec précision les mouvements.

La technologie des ultrasons est utilisée pour créer des images cérébrales bidimensionnelles, qui peuvent ensuite être empilées pour générer une représentation tridimensionnelle. Cette approche, transparente au crâne, n'implique aucune implantation dans le cerveau lui-même, réduisant ainsi le risque d'infection et préservant l'intégrité du tissu cérébral et de son enveloppe protectrice, la dure-mère.

Comprendre l'imagerie échographique

L'imagerie par ultrasons fonctionne en émettant des impulsions sonores à haute fréquence et en mesurant la façon dont ces vibrations se propagent à travers diverses substances, telles que les tissus du corps humain. Les ondes sonores se déplacent à des vitesses distinctes au sein de ces tissus et se reflètent à leurs limites. Cette technique est couramment utilisée pour l’imagerie diagnostique, notamment l’imagerie fœtale pendant la grossesse.

Puisque les ondes sonores ne peuvent pas pénétrer dans le crâne, une « fenêtre » transparente doit être installée dans le crâne pour faciliter l’imagerie cérébrale par échographie. La clé de l’échographie fonctionnelle réside dans la surveillance des modifications du flux sanguin dans des régions spécifiques du cerveau. À mesure que l’activité neuronale fluctue, l’utilisation des ressources métaboliques comme l’oxygène, qui est reconstituée par la circulation sanguine, fluctue également. Cette étude a utilisé les ultrasons pour mesurer les modifications du flux sanguin, permettant ainsi la surveillance simultanée de l’activité de petites populations neuronales, certaines composées de seulement 60 neurones, réparties dans tout le cerveau.

Libérer la mobilité : autonomiser les personnes paralysées grâce à des ordinateurs contrôlés par la pensée et à des membres robotiques

Application innovante chez les primates non humains

Les chercheurs ont appliqué des ultrasons fonctionnels pour surveiller l'activité cérébrale du cortex pariétal postérieur (PPC) de primates non humains. Cette région régit la planification et l'exécution des mouvements et a été étudiée de manière approfondie par le laboratoire Andersen à l'aide de diverses techniques.

Les animaux ont été entraînés à effectuer deux tâches qui leur demandaient de planifier des mouvements soit avec leurs mains pour contrôler un curseur sur un écran, soit avec leurs yeux pour se concentrer sur une partie spécifique de l'écran. Étonnamment, ils n’avaient qu’à penser à l’exécution de la tâche, car le BMI interprétait l’activité de planification dans leur PPC.

Résultats prometteurs et perspectives d’avenir

Les données échographiques en temps réel ont été transmises à un décodeur formé pour interpréter ces données grâce à l'apprentissage automatique. Par la suite, le décodeur a généré des signaux de commande pour déplacer un curseur vers l'emplacement prévu tel que conçu par l'animal. Cet IMC a permis de contrôler avec succès huit cibles radiales, avec des erreurs moyennes inférieures à 40 degrés.

Notamment, cette technique évite le besoin d’un recalibrage quotidien, ce qui la distingue des autres IMC. En revanche, imaginez un scénario dans lequel il faudrait recalibrer la souris de son ordinateur jusqu'à 15 minutes chaque jour avant de l'utiliser.

Prochaines étapes : études sur l'homme et imagerie améliorée

Les futurs efforts de l'équipe de recherche consistent à étudier les performances des IMC basés sur la technologie des ultrasons chez l'homme et à affiner la technologie fUS pour permettre une imagerie tridimensionnelle pour une précision améliorée.

Cette étude, intitulée « Décoder les plans moteurs à l’aide d’une interface cerveau-machine ultrasonique en boucle fermée », a été publiée dans la revue Nature Neuroscience le 30 novembre 2023.

Référence : « Décoder les plans moteurs à l'aide d'une interface cerveau-machine ultrasonique en boucle fermée » par Whitney S. Griggs, Sumner L. Norman, Thomas Deffieux, Florian Segura, Bruno-Félix Osmanski, Geeling Chau, Vasileios Christopoulos, Charles Liu, Mickael Tanter , Mikhail G. Shapiro et Richard A. Andersen, 30 novembre 2023, Nature Neuroscience.
DOI : 10.1038/s41593-023-01500-7

Whitney Griggs (PhD '23), étudiant en médecine/doctorat à l'UCLA-Caltech, et Sumner Norman, ancien chercheur postdoctoral désormais affilié à Forest Neurotech, sont les principaux auteurs de l'étude. Aux côtés de Griggs, Norman et Andersen, les autres coauteurs de Caltech incluent Geeling Chau, étudiant diplômé, et Vasileios Christopoulos, associé invité en biologie et en génie biologique. Les autres coauteurs incluent Charles Liu de l'USC, ainsi que Mickael Tanter, Thomas Deffieux et Florian Segura de l'INSERM à Paris, en France. Le financement de la recherche a été fourni par le National Eye Institute, une bourse Josephine de Karman, l'UCLA-Caltech MSTP, la Fondation Della Martin, l'Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux, les National Institutes of Health, le T&C Chen Brain-Machine. Interface Center et la Fondation Boswell.

Foire aux questions (FAQ) sur l'interface cerveau-machine des ultrasons

Qu’est-ce que la technologie des ultrasons fonctionnels (fUS) ?

L'échographie fonctionnelle (fUS) est une technique non invasive de surveillance de l'activité cérébrale, permettant un contrôle précis des appareils électroniques en interprétant les signaux neuronaux.

En quoi les interfaces cerveau-machine (IMC) traditionnelles diffèrent-elles des IMC basés sur fUS ?

Les IMC traditionnels nécessitent souvent des interventions chirurgicales invasives pour implanter des électrodes dans le cerveau, tandis que les IMC basés sur fUS utilisent des ultrasons pour surveiller l'activité cérébrale sans nécessiter d'implantation.

Quels sont les avantages de la technologie fUS ?

L'échographie fonctionnelle est moins invasive que les implants cérébraux traditionnels, ne nécessite pas de recalibrage fréquent et permet de surveiller simultanément l'activité de plusieurs régions du cerveau.

Comment fonctionne l’imagerie échographique dans ce contexte ?

Les ultrasons émettent des impulsions sonores à haute fréquence, mesurant leur propagation dans les tissus. Les modifications du flux sanguin, liées à l'activité neuronale, sont détectées par effet Doppler, permettant un suivi précis.

Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?

Cette technologie pourrait permettre aux personnes paralysées de contrôler des prothèses ou des ordinateurs avec leurs pensées, offrant ainsi une mobilité et une indépendance retrouvées.

Est-il prévu de tester cette technologie chez l’homme ?

Oui, l’équipe de recherche prévoit d’étudier les performances des IMC basés sur fUS chez l’homme, apportant potentiellement cette innovation à un public plus large.

En savoir plus sur l’interface cerveau-machine à ultrasons

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