MEDECINE ET ROBOTIQUE

A intervalles réguliers, l’interface humain-machine défraie la chronique. Ou, pour employer une expression plus actuelle, elle fait le « buzz ». Les dénominations pour la qualifier sont diverses. On parle volontiers de « contrôle par la pensée » ou de « connection du cerveau humain à la machine ». 

Les scientifiques eux-mêmes ne rechignent pas à user d’images de science fiction pour populariser leurs travaux. Ainsi, l'étude  présentée ci-dessous. « Contrôle humain de rats-cyborgs », tel est le titre de l’article publié dans la revue Nature par une équipe de chercheurs de l’université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine. Ils ont réussi un indiscutable exploit scientifique :interposer une interface cerveau-machine entre un rat de laboratoire et un humain pour constituer une interface cerveau-cerveau.

Que l'on se rassure, les « cyborgs » sont encore loins. Mais ce sujet de recherche, au carrefour des neurosciences et de l’informatique, n'en demeure pas moins passionnant et mérite toute notre attention. Ne serait-ce que pour en avoir une vision exacte et couper court aux fantasmes…

DESCRIPTION GENERALE ET OBJECTIF DE L'EXPERIENCE SCIENTIFIQUE

L’objectif des chercheurs était de constituer une interface cerveau-cerveau sans fil entre un humain et un rat de laboratoire et de faire contrôler les déplacements du rat  par la volonté humaine.

Il fallait donc fabriquer un montage technologique capable de surmonter la réactivité de l’être vivant qu’est le rat. Ceci a été obtenu par un système en 2 parties qui, reliées entre elles, composent l’interface cerveau-cerveau : une interface cerveau humain/machine et le "rat-cyborg". 

Interface cerveau humain-machine

Les chercheurs ont utilisé le casque de la société américaine Emotiv. Cet appareil -par ailleurs accessible au grand public- permet de « piloter des objets connectés par la pensée », un ordinateur par exemple.  Sa technologie est basée sur le recueil de l’électro-encéphalogramme (abrégé par EEG dans le langage médical). L’opérateur imagine une consigne (par exemple: tourner à droite ). Le signal EEG correspondant est capté par le casque puis un traitement informatique le transforme en consigne qui est envoyée à l’objet connecté. 

Dans le protocole de l’expérience, les instructions « aller à droite, aller à gauche », devaient partir du mouvement imaginé par l'opérateur. C’est l’électro-encéphalogramme de cette intention de mouvement qui était ensuite transformé en consigne. Pour «aller en avant », le point de départ était différent puisque c’était l’EEG du clignement de l’oeil qui était utilisé. 

Ces modalités ont été choisies par les concepteurs de l'étude car elles permettaient de résoudre plusieurs problèmes techniques essentiels, dont celui de la rapidité du circuit d'information. Rappelons que le rat est un être vivant autonome qui agit par lui même. Il faut, en quelque sorte, prendre son cerveau de vitesse. 

L’enregistrement EEG était ensuite envoyé à un ordinateur par Bluetooth. Il était alors transformé en stimulation électrique par un traitement informatique, elle-même envoyée au cerveau de rat. 

Toute cette opération a bien entendu nécessité un entraînement de la part de l’opérateur pour que le signal EEG produit soit reconnaissable et exploitable par le programme informatique, sans quoi il n'aurait pu être transformé en stimulation électrique. 

Qu'est-ce qu'un électro-encéphalogramme (EEG)? 

Le cerveau produit des ondes électriques qui correspondent à l'activité des cellules qui le composent: les neurones. Ces ondes existent en permanence, que ce soit pendant le sommeil ou en éveil. Il est possible de les enregistrer, c'est l'électro-encéphalogramme. Cet enregistrement est un examen médical courant très utilisé en neurologie et en médecine du sommeil.

Il existe plusieurs façons de le recueillir. La plus répandue est l'EEG dit de surface. Des électrodes sont placées à la surface du crâne. Le signal vient du cerveau et doit traverser la boîte crânienne pour atteindre l'électrode d'enregistrement. C'est cette méthode qui est employée dans le casque Emotiv qui a servi à l'expérience des chercheurs de Hangzhou. 

Le rat cyborg

Les chercheurs ont implanté des électrodes dans le cerveau des rats. Leur rôle était de délivrer à l’animal les instructions de mouvement sous forme de stimulations électriques. Celles-ci étaient délivrées par un dispositif bluetooth placé sur le dos du rat. Lui-même recevait le signal envoyé par bluetooth par les opérateurs.

Comme les opérateurs humains, les rats devaient être entrainés et apprendre à faire correspondre le stimulus électrique reçu avec le comportement moteur souhaité par les chercheurs. 

Relation entre l'interface humain-machine et le rat-cyborg

C'est un programme informatique spécialement composé par les chercheurs qui établissait le lien entre les 2 parties de l’interface cerveau-cerveau. Il accomplissait 3 actions:

-la première, recueillir les données d’EEG brutes en provenance du casque Emotiv

-la seconde, générer, à partir de ces données brutes, les instructions de mouvement destinées au rat, en se basant sur des modèles établis dans les phases préparatoires de l'étude

-la troisième, envoyer les instructions au capteur bluetooth placé sur le dos du rat

Expériences réalisées

2 expériences ont été réalisées.

Dans la première, les rats ont été déplacés dans un labyrinthe en forme d’étoile à 8 branches. L'animal était placé à l’extrémité de l’une des branches. L’expérience consistait à le faire avancer vers le centre de l'étoile et à le faire tourner vers la branche voisine. 

La seconde a consisté à faire évoluer le rat dans un labyrinthe complexe avec escaliers et petits couloirs. 

Toutes ces tâches ont été très bien réussies. Ainsi, le taux de réussite dans le labyrinthe complexe était de 90 % en moyenne. 

CONCLUSION DES CHERCHEURS

Les chercheurs concluent que leur étude a montré qu’il était possible de fabriquer un « chemin d’information » entre un cerveau humain et un cerveau de rat. Ils soulignent un résultat essentiel de leur expérience: avoir réussi à contrôler le comportement d’un être vivant doté de conscience et de spontanéité. 

COMMENTAIRES DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

L'association de l'informatique et des neurosciences est l'un des champs les plus prometteurs de la révolution technologique. Les interfaces cerveau-machine sont très attendues en médecine du handicap et des maladies neuro-dégénératives. Elles pourraient aider à restituer des fonctions perdues ou, tout au moins les suppléer efficacement. Il existe déjà, par exemple, des prothèses pilotées "par la pensée". 

Mais qu'en est-il de l'interface cerveau-cerveau? Il est très probable que le contrôle de rat "par la pensée" ne trouve jamais d'application pratique. En dehors de la recherche fondamentale, on ne voit pas très bien à quoi cela pourrait servir. Mais cette étude nous apprend beaucoup de choses sur notre évolution technologique actuelle.

Nous avons décrit l'expérience. Le casque ne permet pas un contrôle direct du rat. Pour accéder à un cerveau, il faut implanter à l'intérieur une électrode, procédure qui nécessite une intervention chirurgicale. Il faut ensuite relier cette électrode au casque. Ceci est fait au moyen d'un programme informatique. 

Et c'est précisément dans l'informatique que se situe la véritable innovation. En effet, l'électro-encéphalogramme et la stimulation du cerveau par des électrodes sont de vieilles techniques médicales. Ce n'est pas de ce côté que se produit la rupture. Elle provient des progrès de l'informatique et des moyens de communication sans fil. Nous pouvons maintenant capter un signal EEG, le numériser, c'est-à-dire l'écrire en langage binaire (celui des ordinateurs) et, ainsi, le rendre accessibles aux calculs informatiques pour, en bout de chaîne, le transformer en signal délivré au cerveau de rat.

Tout ceci est devenu possible car les ordinateurs d'aujourd'hui ont acquis une puissance qui leur permet de réaliser des calculs nombreux et complexes en un temps record. En parallèle, les technologies de transmission d'ondes sans fil (wifi, bluetooth) ont progressé au point de les faire voyager à une vitesse qui rattrape celle des influx nerveux. 

Mais le plus surprenant, peut être, est que l'expérience a été faite avec un objet commercialisé, accessible au grand public. Sommes-nous devant les prémices d'une large diffusion dans la société? L'interface cerveau-machine sera-t-elle bientôt aussi naturelle que le smartphone qui semble nous  accompagner depuis toujours alors même qu'il n'existait pas il y a 15 ans? 

LIENS ET REFERENCES

Comment fonctionne le casque Emotiv? Explications en français sur le site LeLabTechno

Lien vers l'article de Nature que nous avons commenté. En anglais mais vous trouverez un dessin qui vous aidera à comprendre l'expérience

Rat guidé dans le labyrinthe. Video réalisée par les chercheurs.