Interfaces cerveau-ordinateur (BCI) expliquées

Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) sont des dispositifs qui créent une voie de communication directe entre l'activité électrique du cerveau et une sortie externe. Leurs capteurs captent les signaux électrophysiologiques transmis entre les neurones du cerveau et transmettent ces informations à une source externe, comme un ordinateur ou un membre robotique, qui permet essentiellement à une personne de transformer ses pensées en actions.

Ces puces cérébrales passent sur le cuir chevelu dans un appareil portable, sont placées chirurgicalement sous le cuir chevelu ou même implantées dans le tissu cérébral. L'idée est que, plus la puce est proche du réseau neuronal du cerveau, plus un signal peut être interprété de manière claire ou "haute définition".

Une interface cerveau-ordinateur (BCI) est un dispositif qui permet au cerveau humain de communiquer avec et de contrôler un logiciel ou un matériel externe, comme un ordinateur ou un membre robotique.

Autrefois un trope de science-fiction cyborgien qui est devenu réalité à l'aube des années 2000, les interfaces cerveau-ordinateur sont maintenant en plein essor, avec un marché de 1,74 milliard de dollars qui devrait atteindre 6,18 milliards de dollars d'ici la fin de la décennie. À mesure que la recherche sur les technologies de la santé progresse et que la demande augmente, les startups se mobilisent pour devenir les pionnières de la nouvelle vague d'interaction homme-ordinateur.

Ramses Alcaide, PDG de la startup neurotechnologique Neurable, qui développe des interfaces cerveau-ordinateur non invasives sous la forme d'écouteurs, voit le potentiel des appareils améliorés BCI pour devenir un article de tous les jours pour la personne moyenne.

"Si nous pouvons rendre les interfaces cerveau-ordinateur accessibles et suffisamment transparentes, elles peuvent être intégrées dans notre vie quotidienne, tout comme nous utilisons les smartphones ou les ordinateurs portables aujourd'hui", a déclaré Alcaide à Built In. "Mais pour devenir vraiment un outil omniprésent, ils doivent être suffisamment confortables, intuitifs et fiables pour que les gens puissent les utiliser sans y penser consciemment - de la même manière que nous utilisons une souris ou un clavier pour interagir avec un ordinateur."

Aujourd'hui, l'application la plus courante des interfaces cerveau-ordinateur consiste à déplacer un curseur par la pensée. Et tandis que la plupart des projets s'attardent dans une phase expérimentale, certains sont passés à des essais humains.

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Bien que les interfaces cerveau-ordinateur diffèrent par leur type et leur approche, elles sont toutes calquées sur l'électrophysiologie du réseau neuronal du cerveau.

Lorsque nous prenons une décision - ou même pensons à prendre une décision - des signaux chimiques électriques se déclenchent. Ce phénomène se situe dans notre système nerveux ; plus précisément, dans les espaces entre les neurones, appelés synapses, lorsqu'ils communiquent dans les deux sens.

Afin de capturer cette activité cérébrale, les BCI placent des électrodes à proximité de ces conversations. Ces capteurs détectent les tensions, mesurant la fréquence et l'intensité de chaque "pic" lorsqu'ils se déclenchent ou se déclenchent potentiellement.

"Nous captons le bavardage électrique des neurones du cerveau qui communiquent entre eux."

"C'est comme un microphone, mais dans ce cas, nous écoutons l'activité électrique au lieu du son", a déclaré Craig Mermel, président et chef de produit chez Precision Neuroscience, une startup développant un implant neuronal réversible semi-invasif. "Nous captons le bavardage électrique des neurones du cerveau qui communiquent entre eux."

Ces informations sont ensuite transmises via un logiciel informatique local, où elles sont traduites dans un processus connu sous le nom de décodage neuronal. C'est là qu'une variété d'algorithmes d'apprentissage automatique et d'autres agents d'intelligence artificielle prennent le relais, convertissant des ensembles de données complexes collectés à partir de l'activité cérébrale en une compréhension programmable de ce que pourrait être l'intention du cerveau.

"L'objectif à court terme [des interfaces cerveau-ordinateur] est de rendre les capacités à ceux qui les ont perdues", a déclaré Sumner Norman, scientifique de la start-up à but non lucratif Convergent Research et ancien scientifique en chef de l'interface cerveau-ordinateur de la société de logiciels AE Studio. "Mais à long terme, cette technologie est également destinée à créer une sorte de cortex tertiaire, ou un autre niveau de la fonction cérébrale humaine et une fonction exécutive qui nous permettrait d'être presque surhumains."

Voici quelques-uns des cas d'utilisation les plus courants des interfaces cerveau-ordinateur :

En fournissant une boucle de rétroaction neuronale en temps réel qui recâble le cerveau, les BCI sont capables de restaurer le mouvement, la mobilité et l'autonomie des patients paralysés et handicapés, améliorant ainsi leur qualité de vie. Dans les cas plus chroniques, des dispositifs robotiques et des membres sont intégrés.

Les casques sont un moyen de proposer une approche non invasive des interfaces cerveau-ordinateur. Certains augmentent la productivité et améliorent la concentration, comme on le voit avec l'Enten de Neurable, tandis que d'autres restaurent les fonctions motrices des membres supérieurs d'un individu après un AVC, comme le système IpsiHand de Neurolutions Inc.

Les personnes non verbales, qui peuvent être bloquées après un accident vasculaire cérébral ou une blessure grave, peuvent utiliser le mouvement des yeux pour une communication assistée par ordinateur.

Dans plusieurs études, les utilisateurs ont exercé le contrôle des applications de réseaux sociaux, de l'administration des e-mails, des assistants virtuels et des services de messagerie instantanée sans habiletés motrices. Atténuer les lumières ou changer de chaîne sur un téléviseur sont des exemples de la façon dont les BCI peuvent être adaptés à la maison.

Le ministère de la Défense a financé des recherches pour développer des drones mains libres à usage militaire. Cela permettrait aux soldats de contrôler par télépathie des essaims de véhicules aériens sans pilote.

La société de neurotechnologie, dirigée par Elon Musk, développe un implant chirurgical de la taille d'une pièce de monnaie. Afin de surveiller l'activité cérébrale aussi étroitement que possible, l'appareil de Neuralink, le Link, utilise des fils d'électrodes à l'échelle du micron qui se déploient dans le cerveau. Son objectif principal est de traiter la paralysie. En plus d'un "Fitbit pour votre crâne", la startup construit un robot de huit pieds pour placer les fils neuronaux.

La startup de l'interface cerveau-ordinateur développe des logiciels et du matériel - sous la forme d'écouteurs - qui interprètent les signaux cérébraux pour augmenter la productivité. Sa première paire, Enten, utilise des techniques avancées d'analyse de données et de traitement du signal pour maximiser les périodes de concentration maximales des utilisateurs tout au long de la journée. L'appareil portable, amélioré par BCI, coupe automatiquement les notifications, active la suppression du bruit et active la fonction « Ne pas déranger ». Il suit également l'impact de différentes chansons et genres sur l'attention des utilisateurs, puis recommande des listes de lecture personnalisées et suggère des pauses.

La plate-forme neuronale se rapproche des systèmes d'interface cerveau-ordinateur avec une puce cérébrale implantée chirurgicalement qui est peu invasive et entièrement réversible. L'interface corticale de la couche 7 est un film mince de micro-électrodes, d'environ 1,5 centimètre de long et d'une fraction de cheveu d'épaisseur, qui se conforme au cortex cérébral juste sous le crâne sans endommager aucun tissu. La technologie de Precision veut intégrer les BCI des laboratoires de recherche à petite échelle aux installations médicales comme moyen de traiter les maladies neurologiques.

Soutenue par Bill Gates et Jeff Bezos, la société de médecine bioélectronique cartographie le cerveau via les vaisseaux sanguins. Insérée dans la veine jugulaire, la Stentrode est une neuroprothèse placée dans le sinus sagittal supérieur près du cortex moteur. La puce en alliage flexible de huit millimètres transmet des signaux neurologiques à une unité réceptrice implantée dans la poitrine du patient, qui traduit ensuite les pensées en clics et en frappes sur un ordinateur ou un appareil mobile en temps réel. Synchron a reçu l'approbation de la Food and Drug Administration des États-Unis pour des essais cliniques humains en 2021, totalisant quatre patients à ce jour, selon la revue médicale JAMA Network.

La plate-forme neurotechnologique teste ses dispositifs chez l'homme depuis 2004 au cours de ses deux décennies de développement d'interface cerveau-ordinateur. Le portefeuille de produits de Blackrock a aidé les patients à retrouver la fonction tactile, le mouvement de leurs propres membres et prothèses ainsi que la capacité de contrôler les appareils numériques uniquement par la pensée. Son dernier projet, Neuralace, est un patch en maille hexagonale flexible - plus fin qu'un cil - conçu pour se conformer aux fissures et aux sillons du cerveau. Sa grande surface peut capturer 10 000 canaux neuronaux, se rapprochant peu à peu de la capture de données du cerveau entier.

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Après un cours de rééducation neurologique, les puces cérébrales et les appareils portables peuvent donner aux patients un contrôle direct sur les exosquelettes et les membres robotiques. Ceci est rendu possible en lisant les signaux directement du cerveau, en contournant complètement le site de la blessure ou de la maladie - comme une moelle épinière sectionnée - l'activité musculaire.

Avec les interfaces cerveau-ordinateur, si vous pouvez le penser, vous pouvez le parler. C'est juste une question de vitesse à laquelle le logiciel de décodage neuronal peut rattraper son retard.

Une équipe de l'Université de Stanford a découvert que sa puce cérébrale pouvait pirater 62 mots par minute, ce qui correspond au rythme d'une conversation naturelle. L'étude mettait en vedette un patient non verbal qui souffrait de sclérose latérale amyotrophique et un vocabulaire préprogrammé de 125 000 mots, marquant « une voie possible vers l'avant pour l'utilisation d'interfaces intracorticales cerveau-ordinateur pour rétablir une communication rapide aux personnes paralysées qui ne peuvent plus parler ».

Une étude a noté que les personnes atteintes de SLA, de paralysie cérébrale, d'AVC du tronc cérébral, de lésions de la moelle épinière, de dystrophies musculaires ou de neuropathies périphériques chroniques peuvent bénéficier des BCI. Les implants neuronaux peuvent être en mesure de traiter des conditions ou au moins d'améliorer la qualité de vie des patients atteints de diagnostics chroniques ou en phase terminale.

Les interfaces cerveau-ordinateur pourraient un jour soulager des troubles psychiatriques, comme le trouble bipolaire, le trouble obsessionnel compulsif, la dépression et l'anxiété.

En utilisant des techniques de neurofeedback, ils peuvent également aider à prévenir davantage de conditions piétonnes telles que l'épuisement professionnel et la fatigue en fournissant une stimulation électrique ciblée à des zones spécifiques du cerveau.

"Cela n'a peut-être pas l'air aussi flashy, car quelqu'un dans la démo a juste l'air un peu plus heureux", a déclaré Norman, dont les recherches au California Institute of Technology en tant que boursier postdoctoral se sont concentrées sur cette prochaine génération de technologie d'interface cerveau-ordinateur. "Mais si on vous proposait une solution où je disais qu'en utilisant un seul appareil, je peux traiter n'importe quelle forme d'anxiété que vous avez, et aussi vous offrir le sommeil à la demande et une centaine d'autres applications qui pourraient rendre votre vie un peu meilleure qu'elle ne l'était, je pense que pas mal de gens adopteraient cette technologie."

Les utilisateurs peuvent entraîner leur cerveau (mémoire, fonction exécutive et vitesse de traitement) au biofeedback qu'ils reçoivent d'un implant neuronal en temps réel. Semblable à la technologie portable et aux applications disponibles aujourd'hui, les utilisateurs pourraient surveiller leurs statistiques et s'autoréguler en conséquence.

Alors qu'une grande partie du cerveau reste un mystère, les BCI créent un canal direct vers nos pensées - avec un processus pour décoder son langage.

"Les interfaces cerveau-ordinateur peuvent être utilisées comme un outil pour comprendre le fonctionnement du cerveau", a déclaré Byron Yu, professeur de génie électrique et informatique et de génie biomédical à l'Université Carnegie Mellon. L'objectif de son groupe de recherche est d'étudier comment le cerveau apprend.

"Si je vous donne une raquette de tennis et que vous vous entraînez avec, vous deviendrez meilleur au tennis. De même, si je vous donne une interface cerveau-ordinateur et que vous vous entraînez avec, vous améliorerez l'utilisation de l'interface cerveau-ordinateur", a-t-il déclaré. "Nous pouvons ensuite étudier ce qui change dans le cerveau pendant que vous apprenez à utiliser l'appareil. Nos découvertes mèneront éventuellement à des méthodes pour aider les gens à acquérir des compétences quotidiennes plus rapidement et à un niveau de compétence plus élevé."

Les interfaces cerveau-ordinateur ont plus d'un demi-siècle de recherche et plusieurs preuves de concepts qui ont passé des essais humains. Alors, quel est le hold-up ?

Les deux principaux obstacles empêchant l'adoption généralisée des BCI sont liés à l'approbation réglementaire et au financement.

Étant donné que les interfaces cerveau-ordinateur sont enregistrées comme une sorte de dispositif médical, elles relèvent de la compétence de la FDA. Quel que soit le produit, la principale préoccupation de l'établissement est la sécurité des patients.

Le défi réside dans le fait que les BCI existent actuellement dans une ligue à part. Les dispositifs eux-mêmes rassemblent une gamme de domaines - matériaux implantables, logiciels critiques pour la sécurité, Internet des objets et dispositifs médicaux portables, pour n'en nommer que quelques-uns - qui ne sont pas encore normalisés. Il n'y a pas de périphériques de prédicat.

"Ce sont de nouvelles catégories d'appareils", a déclaré Mermel de Precision Neuroscience. "Ainsi, jusqu'à ce qu'un appareil soit autorisé à être commercialisé par la FDA, la question reste ouverte de savoir quel type de preuve vous devez montrer pour démontrer que les avantages d'un appareil l'emportent sur les risques."

Si les interfaces cerveau-ordinateur parviennent à la pratique médicale, qui va les payer ? Ou pour les démarches ? Et qu'en est-il des suivis de bilan de santé, de la maintenance continue et des mises à niveau qui prennent en charge la technologie au fil du temps ?

Déterminer si l'onglet est pris en charge par les compagnies de soins de santé et d'assurance, les subventions gouvernementales ou les patients de leur poche déterminera grandement le niveau d'accessibilité des appareils au public et qui, en fonction du statut socio-économique, est qualifié pour une qualité de vie améliorée par la technologie.

"Il est important de donner la priorité aux besoins et aux perspectives des utilisateurs finaux, en particulier les plus vulnérables, tels que les personnes handicapées, et de tenir compte des implications éthiques potentielles de ces technologies", a déclaré Alcaide. "Nous devons veiller à ce que ces technologies ne perpétuent pas les préjugés sociaux ou n'exacerbent pas davantage les inégalités existantes."