James Johnson espère conduire à nouveau une voiture un jour. S'il le fait, il le fera en utilisant uniquement ses pensées.
En mars 2017, Johnson s'est cassé le cou dans un accident de karting, le laissant presque complètement paralysé sous les épaules. Il comprenait sa nouvelle réalité mieux que quiconque. Pendant des décennies, il avait été un soignant pour les personnes atteintes de paralysie. "Il y avait une profonde dépression", dit-il. "Je pensais que lorsque cela m'est arrivé, il n'y avait rien - rien que je puisse faire ou donner."
Mais ensuite, l'équipe de rééducation de Johnson l'a présenté à des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) à Pasadena, qui l'ont invité à participer à un essai clinique d'une interface cerveau-ordinateur (BCI). Cela impliquerait d'abord une neurochirurgie pour implanter deux grilles d'électrodes dans son cortex. Ces électrodes enregistreraient les neurones de son cerveau au fur et à mesure qu'ils se déclenchent, et les chercheurs utiliseraient des algorithmes pour décoder ses pensées et ses intentions. Le système utiliserait alors l'activité cérébrale de Johnson pour faire fonctionner des applications informatiques ou pour déplacer une prothèse. Tout compte fait, cela prendrait des années et nécessiterait des centaines de sessions de formation intensives. "Je n'ai vraiment pas hésité", déclare Johnson.
La première fois qu'il a utilisé son BCI, implanté en novembre 2018, Johnson a déplacé un curseur sur un écran d'ordinateur. "C'était comme The Matrix", dit-il. "Nous nous sommes connectés à l'ordinateur, et voilà que j'ai pu déplacer le curseur simplement en pensant."
Johnson a depuis utilisé le BCI pour contrôler un bras robotique, utiliser le logiciel Photoshop, jouer à des jeux vidéo "shoot-'em-up", et maintenant pour conduire une voiture simulée dans un environnement virtuel, en changeant de vitesse, de direction et en réagissant à dangers. "Je suis toujours stupéfait de ce que nous sommes capables de faire", dit-il, "et c'est génial."
Johnson fait partie des quelque 35 personnes qui ont eu un BCI implanté à long terme dans leur cerveau. Seule une dizaine de laboratoires mènent de telles recherches, mais ce nombre est en augmentation. Et au cours des cinq dernières années, l'éventail des compétences que ces appareils peuvent restaurer s'est considérablement élargi. Rien que l'année dernière, des scientifiques ont décrit un participant à l'étude utilisant un bras robotisé capable d'envoyer une rétroaction sensorielle directement à son cerveau1 ; une prothèse vocale pour une personne incapable de parler suite à un accident vasculaire cérébral2 ; et une personne capable de communiquer à une vitesse record en s'imaginant écrire à la main3.
Jusqu'à présent, la grande majorité des implants d'enregistrement à long terme à partir de neurones individuels ont été fabriqués par une seule entreprise : Blackrock Neurotech, un développeur de dispositifs médicaux basé à Salt Lake City, dans l'Utah. Mais au cours des sept dernières années, l'intérêt commercial pour les BCI a augmenté. Plus particulièrement, en 2016, l'entrepreneur Elon Musk a lancé Neuralink à San Francisco, en Californie, dans le but de connecter les humains et les ordinateurs. La société a levé 363 millions de dollars américains. L'année dernière, Blackrock Neurotech et plusieurs autres nouvelles sociétés BCI ont également attiré un soutien financier important.
Mettre un BCI sur le marché impliquera toutefois de transformer une technologie sur mesure, testée sur le terrain auprès d'un petit nombre de personnes seulement, en un produit pouvant être fabriqué, implanté et utilisé à grande échelle. De grands essais devront montrer que les BCI peuvent fonctionner dans des contextes autres que la recherche et améliorer de manière démontrable la vie quotidienne des utilisateurs – à des prix que le marché peut supporter. Le calendrier pour réaliser tout cela est incertain, mais le champ est haussier. «Depuis des milliers d'années, nous cherchons un moyen de guérir les personnes atteintes de paralysie», déclare Matt Angle, directeur général fondateur de Paradromics, une société de neurotechnologie à Austin, au Texas. "Maintenant, nous sommes en fait sur le point d'avoir des technologies que nous pouvons exploiter pour ces choses."
Évolution de l'interface
En juin 2004, des chercheurs ont enfoncé une grille d'électrodes dans le cortex moteur d'un homme qui avait été paralysé par un coup de couteau. Il a été la première personne à recevoir un implant BCI à long terme. Comme la plupart des personnes qui ont reçu des BCI depuis, sa cognition était intacte. Il pouvait imaginer bouger, mais il avait perdu les voies neuronales entre son cortex moteur et ses muscles. Après des décennies de travail dans de nombreux laboratoires sur des singes, les chercheurs avaient appris à décoder les mouvements des animaux à partir d'enregistrements en temps réel de l'activité dans le cortex moteur. Ils espéraient maintenant déduire les mouvements imaginaires d'une personne à partir de l'activité cérébrale dans la même région.
En 2006, un article historique4 décrivait comment l'homme avait appris à déplacer un curseur sur un écran d'ordinateur, à contrôler une télévision et à utiliser des bras et des mains robotiques simplement en pensant. L'étude a été codirigée par Leigh Hochberg, neuroscientifique et neurologue en soins intensifs à l'Université Brown de Providence, Rhode Island, et au Massachusetts General Hospital de Boston. C'était le premier d'une série d'essais multicentriques appelée BrainGate, qui se poursuit aujourd'hui.
"C'était une démonstration très simple et rudimentaire", déclare Hochberg. « Les mouvements étaient lents ou imprécis – ou les deux. Mais cela a démontré qu'il pourrait être possible d'enregistrer à partir du cortex d'une personne incapable de bouger et de permettre à cette personne de contrôler un appareil externe.
Les utilisateurs BCI d'aujourd'hui ont un contrôle beaucoup plus précis et un accès à un plus large éventail de compétences. Cela s'explique en partie par le fait que les chercheurs ont commencé à implanter plusieurs BCI dans différentes zones cérébrales de l'utilisateur et ont conçu de nouvelles façons d'identifier les signaux utiles. Mais Hochberg dit que le plus gros coup de pouce est venu de l'apprentissage automatique, qui a amélioré la capacité de décoder l'activité neuronale. Plutôt que d'essayer de comprendre ce que signifient les modèles d'activité, l'apprentissage automatique identifie et relie simplement les modèles à l'intention d'un utilisateur.
"Nous avons des informations neuronales ; nous savons ce que la personne qui génère les données neuronales tente de faire ; et nous demandons aux algorithmes de créer une carte entre les deux », explique Hochberg. "Cela s'avère être une technique remarquablement puissante."
Indépendance motrice
Interrogées sur ce qu'elles attendent de la neurotechnologie d'assistance, les personnes paralysées répondent le plus souvent « indépendance ». Pour les personnes incapables de bouger leurs membres, cela signifie généralement restaurer le mouvement.
Une approche consiste à implanter des électrodes qui stimulent directement les muscles des membres d'une personne et à les contrôler directement par le BCI. "Si vous pouvez capturer les signaux corticaux natifs liés au contrôle des mouvements de la main, vous pouvez essentiellement contourner la lésion de la moelle épinière pour passer directement du cerveau à la périphérie", explique Bolu Ajiboye, neuroscientifique à la Case Western Reserve University à Cleveland, Ohio.
En 2017, Ajiboye et ses collègues ont décrit un participant qui utilisait ce système pour effectuer des mouvements de bras complexes, notamment boire une tasse de café et se nourrir5. "Quand il a commencé l'étude", dit Ajiboye, "il a dû réfléchir très sérieusement à son bras se déplaçant du point A au point B. Mais au fur et à mesure qu'il s'entraînait, il pouvait simplement penser à bouger son bras et il bougerait. ” Le participant a également retrouvé un sentiment de propriété du bras.
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Ajiboye élargit désormais le répertoire des signaux de commande que son système peut décoder, tels que ceux de la force de préhension. Il souhaite également donner aux utilisateurs de BCI le sens du toucher, un objectif poursuivi par plusieurs laboratoires.
En 2015, une équipe dirigée par le neuroscientifique Robert Gaunt de l'université de Pittsburgh, en Pennsylvanie, a signalé l'implantation d'un réseau d'électrodes dans la région de la main du cortex somatosensoriel d'une personne, où les informations tactiles sont traitées6. Lorsqu'ils ont utilisé les électrodes pour stimuler les neurones, la personne a ressenti quelque chose qui ressemblait à un toucher.
Gaunt s'est ensuite associé à sa collègue de Pittsburgh, Jennifer Collinger, une neuroscientifique faisant progresser le contrôle des bras robotiques par les BCI. Ensemble, ils ont conçu un bras robotique avec des capteurs de pression intégrés au bout des doigts, qui alimentent des électrodes implantées dans le cortex somatosensoriel pour évoquer un sens synthétique du toucher1. Ce n'était pas un sentiment tout à fait naturel – parfois cela ressemblait à une pression ou à une poussée, d'autres fois c'était plutôt un bourdonnement, explique Gaunt. Néanmoins, la rétroaction tactile a rendu l'utilisation de la prothèse beaucoup plus naturelle et le temps nécessaire pour saisir un objet a été réduit de moitié, passant d'environ 20 secondes à 10.
L'implantation de matrices dans des régions du cerveau qui ont des rôles différents peut ajouter des nuances au mouvement d'autres manières. Le neuroscientifique Richard Andersen - qui dirige l'essai à Caltech auquel participe Johnson - tente de décoder les objectifs plus abstraits des utilisateurs en puisant dans le cortex pariétal postérieur (PPC), qui forme l'intention ou le plan de se déplacer7 . C'est-à-dire qu'il pourrait coder la pensée "Je veux boire un verre", alors que le cortex moteur dirige la main vers le café, puis amène le café à la bouche.
Le groupe d'Andersen étudie comment cette double entrée améliore les performances de la BCI, en opposant l'utilisation des deux régions corticales seules ou ensemble. Des résultats non publiés montrent que les intentions de Johnson peuvent être décodées plus rapidement dans le PPC, "conformément à l'encodage de l'objectif du mouvement", explique Tyson Aflalo, chercheur principal au laboratoire d'Andersen. L'activité du cortex moteur, en revanche, dure tout au long du mouvement, dit-il, "rendant la trajectoire moins nerveuse".
Ce nouveau type d'entrée neuronale aide Johnson et d'autres à étendre leur champ d'action. Johnson utilise le simulateur de conduite et un autre participant peut jouer d'un piano virtuel à l'aide de son BCI.
Déplacement vers le sens
"L'un des résultats les plus dévastateurs liés aux lésions cérébrales est la perte de capacité à communiquer", explique Edward Chang, neurochirurgien et neuroscientifique au Université de Californie, San Francisco. Dans les premiers travaux de la BCI, les participants pouvaient déplacer un curseur sur un écran d'ordinateur en imaginant que leur main bougeait, puis en imaginant qu'ils saisissaient pour «cliquer» sur des lettres, offrant ainsi un moyen de communiquer. Mais plus récemment, Chang et d'autres ont fait des progrès rapides en ciblant les mouvements que les gens utilisent naturellement pour s'exprimer.
La référence en matière de communication par contrôle du curseur (environ 40 caractères par minute8) a été établie en 2017 par une équipe dirigée par Krishna Shenoy, neuroscientifique à l'université de Stanford en Californie.
Puis, l'année dernière, ce groupe a signalé3 une approche qui a permis au participant à l'étude Dennis Degray, qui peut parler mais qui est paralysé du cou jusqu'aux pieds, de doubler le rythme.
Le collègue de Shenoy, Frank Willett, a suggéré à Degray d'imaginer l'écriture manuscrite pendant qu'ils enregistraient à partir de son cortex moteur (voir "Transformer les pensées en caractères"). Le système avait parfois du mal à analyser les signaux relatifs aux lettres manuscrites de la même manière, telles que r, n et h, mais en général, il pouvait facilement distinguer les lettres. Les algorithmes de décodage étaient précis à 95 % au départ, mais lorsqu'ils ont été corrigés automatiquement à l'aide de modèles de langage statistiques similaires au texte prédictif dans les smartphones, ils sont passés à 99 %.
"Vous pouvez décoder des mouvements très rapides et très fins", explique Shenoy, "et vous êtes capable de le faire à 90 caractères par minute."
Degray a un BCI fonctionnel dans son cerveau depuis près de 6 ans et est un vétéran de 18 études du groupe de Shenoy. Il dit qu'il est remarquable de voir à quel point les tâches deviennent faciles. Il compare le processus à apprendre à nager, en disant: "Vous vous débattez beaucoup au début, mais tout d'un coup, tout devient compréhensible."
L'interface neurale traduit les pensées en type
L'approche de Chang pour restaurer la communication se concentre sur l'expression orale plutôt que sur l'écriture, bien qu'en utilisant un principe similaire. Tout comme l'écriture est formée de lettres distinctes, la parole est formée d'unités discrètes appelées phonèmes ou sons individuels. Il existe environ 50 phonèmes en anglais, et chacun est créé par un mouvement stéréotypé du tractus vocal, de la langue et des lèvres.
Le groupe de Chang a d'abord travaillé sur la caractérisation de la partie du cerveau qui génère les phonèmes et, par conséquent, la parole – une région mal définie appelée le cortex laryngé dorsal. Ensuite, les chercheurs ont appliqué ces informations pour créer un système de décodage de la parole qui affichait la parole voulue par l'utilisateur sous forme de texte sur un écran. L'année dernière, ils ont rapporté2 que cet appareil permettait à une personne incapable de parler suite à un AVC du tronc cérébral de communiquer, en utilisant un vocabulaire présélectionné de 50 mots et à un rythme de 15 mots par minute. « La chose la plus importante que nous ayons apprise », dit Chang, « c'est que ce n'est plus une théorie ; il est vraiment possible de décoder des mots entiers.
Contrairement à d'autres percées BCI très médiatisées, Chang n'a pas enregistré à partir de neurones uniques. Au lieu de cela, il a utilisé des électrodes placées sur la surface corticale qui détectent l'activité moyenne des populations neuronales. Les signaux ne sont pas aussi fins que ceux des électrodes implantées dans le cortex, mais l'approche est moins invasive.
La perte de communication la plus profonde se produit chez les personnes dans un état complètement enfermé, qui restent conscientes mais sont incapables de parler ou de bouger. En mars, une équipe comprenant le neuroscientifique Ujwal Chaudhary et d'autres chercheurs de l'université de Tübingen, en Allemagne, a signalé9 qu'il avait redémarré la communication avec un homme atteint de sclérose latérale amyotrophique (SLA, ou maladie du motoneurone). L'homme s'appuyait auparavant sur les mouvements des yeux pour communiquer, mais il a progressivement perdu la capacité de bouger les yeux.
L'équipe de chercheurs a obtenu le consentement de la famille de l'homme pour implanter un BCI et a essayé de lui demander d'imaginer des mouvements pour utiliser son activité cérébrale pour choisir des lettres sur un écran. Lorsque cela a échoué, ils ont essayé de jouer un son qui imitait l'activité cérébrale de l'homme - un ton plus élevé pour plus d'activité, plus bas pour moins - et lui ont appris à moduler son activité neuronale pour augmenter la hauteur d'un ton pour signaler "oui" et pour abaisser pour 'non'. Cet arrangement lui permettait de choisir une lettre toutes les minutes environ.
La méthode diffère de celle d'un article10 publié en 2017, dans lequel Chaudhary et d'autres ont utilisé une technique non invasive pour lire l'activité cérébrale. Des questions ont été soulevées sur le travail et le document a été retiré, mais Chaudhary s'en tient à cela.
Ces études de cas suggèrent que le domaine mûrit rapidement, déclare Amy Orsborn, qui étudie les BCI chez les primates non humains à l'Université de Washington à Seattle. "Il y a eu une augmentation notable à la fois du nombre d'études cliniques et des sauts qu'elles font dans l'espace clinique", dit-elle. "Ce qui vient avec ça, c'est l'intérêt industriel".
Lab to market
Bien que de telles réalisations aient attiré l'attention des médias et des investisseurs, le domaine est encore loin d'améliorer la vie quotidienne des personnes qui ont perdu la capacité de bouger ou de parler. Actuellement, les participants à l'étude exploitent les BCI lors de sessions brèves et intensives ; presque tous doivent être physiquement câblés à une banque d'ordinateurs et supervisés par une équipe de scientifiques travaillant en permanence pour perfectionner et recalibrer les décodeurs et les logiciels associés. "Ce que je veux", déclare Hochberg, s'exprimant en tant que neurologue en soins intensifs, "c'est un appareil qui soit disponible, qui puisse être prescrit, qui soit "prêt à l'emploi" et qui puisse être utilisé rapidement". De plus, de tels dispositifs dureraient idéalement toute une vie aux utilisateurs.
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De nombreux universitaires de premier plan collaborent désormais avec des entreprises pour développer des appareils commercialisables. Chaudhary, en revanche, a cofondé une société à but non lucratif, ALS Voice, à Tübingen, pour développer des neurotechnologies pour les personnes dans un état complètement enfermé.
Les dispositifs existants de Blackrock Neurotech sont un pilier de la recherche clinique depuis 18 ans, et l'entreprise souhaite commercialiser un système BCI d'ici un an, selon le président Florian Solzbacher. La société s'est rapprochée en novembre dernier, lorsque la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis, qui réglemente les dispositifs médicaux, a soumis les produits de la société à un processus d'examen accéléré pour faciliter leur développement commercial.
Ce premier produit éventuel utiliserait quatre réseaux implantés et se connecterait par des fils à un appareil miniaturisé, ce qui, espère Solzbacher, montrera comment la vie des gens peut être améliorée. "Nous ne parlons pas d'une amélioration de 5, 10 ou 30% de l'efficacité", dit-il. "Les gens peuvent faire quelque chose qu'ils ne pouvaient tout simplement pas faire auparavant."
Blackrock Neurotech développe également un BCI sans fil entièrement implantable destiné à être plus facile à utiliser et à supprimer le besoin d'avoir un port dans le crâne de l'utilisateur. Neuralink et Paradromics ont cherché à avoir ces fonctionnalités dès le départ dans les appareils qu'ils développent.
Ces deux sociétés visent également à augmenter la bande passante du signal, ce qui devrait améliorer les performances des appareils, en augmentant le nombre de neurones enregistrés. L'interface de Paradromics - actuellement testée chez les moutons - compte 1 600 canaux, répartis en 4 modules.
Le système de Neuralink utilise des électrodes très fines et flexibles, appelées fils, qui sont conçues à la fois pour se plier avec le cerveau et pour réduire les réactions immunitaires, explique Shenoy, consultant et conseiller de l'entreprise. L'objectif est de rendre l'appareil plus durable et les enregistrements plus stables. Neuralink n'a publié aucun article évalué par des pairs, mais un article de blog de 2021 a signalé l'implantation réussie de fils dans le cerveau d'un singe pour enregistrer sur 1 024 sites (voir go.nature.com/3jt71yq). Les universitaires aimeraient voir la technologie publiée pour un examen approfondi, et Neuralink n'a jusqu'à présent testé son système que sur des animaux. Mais, dit Ajiboye, "si ce qu'ils prétendent est vrai, cela change la donne".
Une seule autre société que Blackrock Neurotech a implanté un BCI à long terme chez l'homme - et cela pourrait s'avérer plus facile à vendre que d'autres puces. Synchron à New York a mis au point une "stentrode", un ensemble de 16 électrodes façonnées autour d'un stent de vaisseau sanguin11. Installé en une journée dans un cadre ambulatoire, ce dispositif est enfilé à travers la veine jugulaire jusqu'à une veine située au-dessus du cortex moteur. Implantée pour la première fois chez une personne atteinte de SLA en août 2019, la technologie a été mise sur la voie d'un examen accéléré par la FDA un an plus tard.
Semblable aux électrodes utilisées par Chang, le stentrode n'a pas la résolution des autres implants, il ne peut donc pas être utilisé pour contrôler des prothèses complexes. Mais il permet à des personnes incapables de se déplacer ou de parler de contrôler un curseur sur une tablette d'ordinateur, et ainsi d'envoyer des SMS, de surfer sur Internet et de contrôler les technologies connectées.
Le co-fondateur de Synchron, le neurologue Thomas Oxley, déclare que la société soumet maintenant les résultats d'un essai de faisabilité sur quatre personnes pour publication, dans lequel les participants ont utilisé l'appareil sans fil à la maison quand ils le souhaitaient. "Il n'y a rien qui dépasse du corps. Et ça marche toujours », dit Oxley. La prochaine étape avant de demander l'approbation de la FDA, dit-il, est un essai à plus grande échelle pour évaluer si l'appareil améliore de manière significative la fonctionnalité et la qualité de vie.
Défis à venir
La plupart des chercheurs travaillant sur les BCI sont réalistes quant aux défis qui les attendent. "Si vous prenez du recul, c'est vraiment plus compliqué que tout autre appareil neurologique jamais construit", explique Shenoy. "Il va probablement y avoir des années de croissance difficile pour faire mûrir encore plus la technologie."
L'éthique des interfaces cerveau-ordinateur
Orsborn souligne que les appareils commerciaux devront fonctionner sans la supervision d'un expert pendant des mois, voire des années, et qu'ils doivent fonctionner aussi bien chez chaque utilisateur. Elle prévoit que les progrès de l'apprentissage automatique résoudront le premier problème en fournissant des étapes de recalibrage à mettre en œuvre par les utilisateurs. Mais obtenir des performances constantes pour tous les utilisateurs peut présenter un plus grand défi.
"La variabilité d'une personne à l'autre est celle où je ne pense pas que nous connaissions l'ampleur du problème", déclare Orsborn. Chez les primates non humains, même de petites variations dans le positionnement des électrodes peuvent affecter les circuits qui sont exploités. Elle soupçonne qu'il existe également des idiosyncrasies importantes dans la manière exacte dont différents individus pensent et apprennent - et dans la manière dont le cerveau des utilisateurs a été affecté par leurs diverses conditions.
Enfin, il est largement reconnu que la surveillance éthique doit suivre le rythme de cette technologie en évolution rapide. Les BCI présentent de multiples préoccupations, de la vie privée à l'autonomie personnelle. Les éthiciens soulignent que les utilisateurs doivent conserver le contrôle total des sorties des appareils. Et bien que les technologies actuelles ne puissent pas décoder les pensées privées des gens, les développeurs auront des enregistrements de chaque communication des utilisateurs et des données cruciales sur leur santé cérébrale. De plus, les BCI présentent un nouveau type de risque de cybersécurité.
Il existe également un risque pour les participants que leurs appareils ne soient pas pris en charge indéfiniment ou que les entreprises qui les fabriquent abandonnent. Il existe déjà des cas où des utilisateurs ont été déçus lorsque leurs dispositifs implantés n'ont pas été pris en charge.
Degray, cependant, est impatient de voir les BCI toucher davantage de personnes. Ce qu'il aimerait le plus de la technologie d'assistance, c'est pouvoir se gratter les sourcils, dit-il. "Tout le monde me regarde dans le fauteuil et ils disent toujours:" Oh, ce pauvre gars, il ne peut plus jouer au golf. "C'est mauvais. Mais la véritable terreur est au milieu de la nuit lorsqu'une araignée vous traverse le visage. C'est la mauvaise chose.
Pour Johnson, il s'agit de connexion humaine et de retour tactile ; un câlin d'un être cher. "Si nous pouvons cartographier les neurones qui en sont responsables et les filtrer d'une manière ou d'une autre dans une prothèse un jour dans le futur, alors je serai très satisfait de mes efforts dans ces études."
