Total des techniques mini invasives pratiquées
IV. Quelles sont les perspectives d’avenir ? 1 Stéréotaxie sans cadre et neuronavigation
6. Interface cerveau machine
Figure 77 : Interface cerveau macine
Les Interfaces Cerveau-Machine sont des dispositifs permettant d’instaurer un canal de communication entre le cerveau humain et le monde extérieur sans utiliser les voies usuelles nerveuses et musculaires. Le développement de tels systèmes se situe à l’interface entre le traitement du signal, l’apprentissage statistique et la neurophysiologie.[90]
Historiquement, la fonction cérébrale a été conceptualisée comme un cadre basé sur des fonctions localisées. Cependant, un nombre croissant de preuves, notamment révélées par la chirurgie éveillée, soutient une homodotopie (délocalisation) et une organisation flexible de celle- ci. Celle-ci a permis de rapporter l'absence d'un déficit neurologique permanent après résections chirurgicales massives de tissu cérébral en zone éloquente ; soulignant l’énorme potentiel en plasticité du cerveau.[42]
La structure d’une ICM comprend un système d’acquisition et de traitement des signaux cérébraux, un système de classification puis de traduction de ces signaux en commande (écriture sur écran, mouvement de fauteuil roulant ou de prothèse...).
Concrètement, l’utilisateur focalise son attention sur une stimulation extérieure de son choix, ou bien imagine effectuer un mouvement. Cela génère une activité cérébrale caractéristique et mesurable à l’aide de capteurs. Ces signaux sont transmis à un ordinateur qui les analyse pour en extraire les données utiles, puis les transforme en commande pour la machine (prothèse, exosquelette, fauteuil roulant, interface logicielle, voix artificielle…).
Ces systèmes fonctionnent le plus souvent en boucle fermée (ou boucle de rétroaction), permettant à l’utilisateur de progresser dans la maîtrise de l’ICM. L’utilisateur observe le résultat de sa commande cérébrale, puis adapte sa pensée, affinant peu à peu la précision de l’action produite par le système. Les recherches s’inspirent aussi des algorithmes d’apprentissage automatique pour rendre la machine adaptative et capable d’affiner son interprétation des activités cérébrales de l’utilisateur au cours du temps.
L’utilisation de ces interfaces n’est pas toujours intuitive et la phase d’adaptation et d’apprentissage peut être longue pour parvenir à maîtriser l’outil. Certaines études estiment que2T 2T4Tla part de la population qui ne peut réussir à contrôler les systèmes actuels pourrait atteindre
30%4T. Ceci explique en partie pourquoi, malgré les récents progrès de ce domaine de recherche,
ces applications ne sont pas encore disponibles sur le marché.
La première étape nécessaire au fonctionnement d’une ICM consiste à4T enregistrer l’activité
cérébrale.2T4T2TLe plus souvent, des électrodes sont placées sur le crâne, sur le cortex ou dans le
cerveau, afin d’enregistrer les signaux électriques émis par les neurones à l’occasion d’une pensée particulière.
Il existe ainsi trois modes d’enregistrement :
• Invasif4T4T:2T2T4TUne grille d’électrodes est implantée dans le cortex4T. Elle enregistre les
signaux d’une population de neurones avec une très grande précision spatiale, mais cette méthode est encore associée à un risque de complications et de perte de signal à long terme. Elle n’a été jusqu’ici testée que chez un très faible nombre de patients volontaires, aux Etats-Unis.
• Semi-invasif4T4T:2T2T4TUne grille d’électrodes est placée sous la dure-mère, la membrane
qui entoure le cerveau juste sous la boîte crânienne4T. La résolution spatiale est un
peu moins bonne qu’avec une implantation dans le cortex, mais les risques de complication sont moindres et des applications médicales sont rapidement
• Non-invasif4T4T: Le patient porte2T2T4Tun casque en tissus équipé de multiples
électrodes2T4T2Tpour mesurer l’électroencéphalogramme (EEG). La résolution spatiale est
limitée et la durée d’enregistrement ne dépasse guère la journée. Toutefois ce système est peu cher, facile d’utilisation et permet d’envisager de nombreuses applications, y compris pour le grand public. De fait, c’est aujourd’hui le mode d’enregistrement le plus utilisé.
Le choix du mode d’enregistrement dépend de l’objectif recherché et des applications. Dans tous les cas, les électrodes peuvent être retirées en cas de problème.
Les électrodes utilisées pour l’enregistrement sont reliées à2T2T4Tun logiciel externe, qui classe,
analyse et interprète les signaux cérébraux, puis les restitue sous forme de commandes qu’exécute la machine contrôlée. 4TSelon la tâche à effectuer grâce à l’ICM, les signaux cérébraux
enregistrés sont plus ou moins nombreux et profonds, et plus ou moins difficiles à traiter. Plusieurs dimensions rentrent en compte dans l’analyse : la durée des signaux, leur fréquence et leur répartition dans l’espace. Un prétraitement et un filtrage permettent de débarrasser les signaux enregistrés du bruit de fond. Le signal caractérisant l’intention est ensuite extrait, et ses composantes sont classées pour ne conserver que les informations utiles.[92]
Toutefois, ces réalisations technologiques sont insuffisantes pour qu’une BCI restaure une fonction spécifique, à moins que les aires cérébrales impliquées dans cette fonction soient bien comprises. Des questions fondamentales concernant ces réseaux fonctionnels font débat. Par exemple, est-il possible de subdiviser une tâche cognitive en sous-tâches élémentaires séparées, sachant que chacune est associée à un sous-réseau distinct dans l’espace? La stimulation électrique directe (SED) est un moyen efficace afin d’objectiver cette dissociation spatiale. A cet effet, la SED est appliquée chez des sujets en condition éveillée afin d’induire des déficits transitoires permettant la compartimentalisation des tâches cognitives.
Hochberg et ses collègues ont utilisé un éventail de microélectrodes implantés dans M1 (primary motor cortex) de patients tétraplégiques pour connecter l'activité corticale à un bras robotisé[93]. Cette étude a fourni une démonstration importante du concept d’interface-machine, mais les patients ont été incapables de parvenir à une bonne précision dans le contrôle du bras
robotisé. Cette observation suggère que l'enregistrement de M1 uniquement n’est pas suffisant pour capturer tous les détails des mouvements volontaires. Afin d'améliorer la performance de cette prothèse neurale, il serait judicieux d'implanter plusieurs zones du cerveau avec des tableaux d'enregistrement codant pour les sous-parties distinctes du mouvement intentionnel, au lieu de M1 uniquement (BCIM interface cerveau-ordinateur multiple). Dans une autre perspective, nous pouvons envisager des dispositifs BCI (interface cerveau-ordinateur) chez des patients aphasiques suite à un accident vasculaire cérébral, afin de rétablir la communication endommagée par l'ischémie de la substance blanche. Il serait possible de mettre en place une interface cerveau- ordinateur-cerveau (BCBI): il s’agirait de deux dispositifs d'enregistrement placés dans deux zones déconnectées mais encore fonctionnelles, et de façonner un modèle de communication, rétablissant ainsi un trajet bidirectionnel synchronisé entre elles.
De nombreuses études ont contribué à élucider la question de l’interdépendance des fonctions motrices et linguistiques. Fait à noter, les réseaux de mentalisation et d'émotion peuvent également être cartographiés grâce à cette méthode[94]. La combinaison de cette méthodologie avec des enregistrements neuronaux est actuellement la meilleure façon de caractériser anatomiquement et électrophysiologiquement chaque sous-réseau d'une fonction élémentaire. Toutefois, il est prévu que la modélisation informatique jouera un rôle essentiel dans l'analyse des données expérimentales.
Les études de la stimulation électrique directe en condition éveillée ont fourni des informations importantes sur l'organisation du système moteur chez les êtres humains. Des éléments supplémentaires ont été fournis par la modélisation informatique. Nous suggérons néanmoins qu’afin de bénéficier au mieux des techniques de BCI, des recherches plus poussées sur le système moteur chez l'homme doivent être conduites[95].
Cependant l’interface cerveau machine pose un questionnement éthique évident : Ne risquons nous pas de tomber dans un modèle abusif tant sur le plan pratique qu’existentiel ? Ne devrions-nous pas redouter que ces découvertes spectaculaires puissent un jour être utilisées à
Figure 78 : Robot neuroguidé