Depuis des années, les chercheurs explorent le potentiel de interfaces cerveau-ordinateur (BCI) – des systèmes qui connectent le cerveau humain à une technologie externe – pour restaurer le mouvement des personnes aux membres paralysés, en utilisant des réseaux d’électrodes implantés directement à la surface du cerveau.
À l’avenir, cependant, la recherche soutenue par le gouvernement américain pourrait permettre l’utilisation des BCI sans aucune intervention chirurgicale – et ils pourraient d’abord considérer l’utilisation comme un moyen de donner un avantage aux soldats sur le champ de bataille.
DARPA, l’unité R&D de l’armée américaine, qui a lancé sa neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération (N3) en 2018, cherche à créer des interfaces cerveau-ordinateur non invasives ou peu invasives qui pourraient permettre aux troupes de communiquer avec des systèmes de véhicules aériens ou de systèmes de cyber-défense plus rapidement qu’ils ne le pourraient avec la voix ou les claviers; en bref, les soldats pourraient potentiellement piloter des drones ou conduire des chars avec leurs seules pensées.
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«La DARPA se prépare à un avenir dans lequel une combinaison de systèmes sans pilote, d’intelligence artificielle et de cyberopérations pourrait entraîner des conflits dans des délais trop courts pour que les humains puissent les gérer efficacement avec la seule technologie actuelle». m’a dit Al Emondi, responsable du programme N3 l’année dernière, lorsque le financement de six projets a été annoncé: «En créant une interface cerveau-machine plus accessible qui ne nécessite pas de chirurgie, la DARPA pourrait fournir des outils permettant aux commandants de mission de rester impliqués de manière significative dans opérations dynamiques qui se déroulent à une vitesse rapide. »
L’agence de recherche a octroyé des fonds à six groupes dans le cadre du programme N3, chacun étudiant une méthode différente permettant aux humains et aux machines de communiquer à la vitesse de la pensée, mais sans intervention chirurgicale. Les différents groupes étudient une gamme d’approches; les ultrasons, les champs magnétiques, la lumière, les champs électriques et la tomographie optique font partie des technologies étudiées.
La société de recherche et développement basée dans l’Ohio, Battelle, est l’un des six groupes à recevoir un financement de la DARPA pour un système mini-invasif qui devrait à terme être en mesure de collecter et de transmettre des informations au cerveau des soldats. « Imaginez ceci: un soldat met un casque et utilise ses pensées pour contrôler plusieurs véhicules sans pilote ou un robot de déminage », comme l’entreprise a expliqué le projet l’année dernière.
Le but du projet est « d’améliorer les capacités de nos militaires et de nos combattants – pour apprendre plus vite, faire les choses mieux », a déclaré Patrick Ganzer, chercheur principal à Battelle, à ZDNet.
Le système Battelle est basé sur des nanoparticules et utilise leurs propriétés électromagnétiques pour recueillir et communiquer des données aux utilisateurs.
Le noyau magnétique des particules convertirait les signaux électriques neuronaux dans le cerveau en signaux magnétiques qui peuvent être envoyés à travers le crâne vers l’émetteur-récepteur basé sur un casque porté par l’utilisateur. L’émetteur-récepteur du casque pourrait également renvoyer des signaux magnétiques aux particules où ils seraient convertis en impulsions électriques capables d’être traitées par les neurones – permettant ainsi une communication bidirectionnelle vers et depuis le cerveau.
Les nanoparticules de Battelle seront injectées dans une veine ou inhalées, et de là pourront être déplacées dans le cerveau par un champ magnétique. Les exigences de la DARPA pour le positionnement du BCI sont très précises: Battelle devra être en mesure de placer les particules dans une zone de 50 microns cubes – soit environ la largeur d’un cheveu humain.
En plus des nanoparticules à l’intérieur du cerveau, l’utilisateur devra porter l’émetteur-récepteur de type casque pour envoyer et recevoir les signaux vers des systèmes externes – et il y a plus de limitations ici. «Le casque doit être petit, il ne peut pas être encombrant et il ne peut pas consommer beaucoup d’énergie», dit-il.
Les principaux défis pour développer des BCI non invasifs ou mini-invasifs sont, selon la DARPA, de surmonter le rapport signal sur bruit et «la physique complexe de la diffusion et de l’affaiblissement des signaux lorsqu’ils traversent la peau, le crâne et les tissus cérébraux».
Battelle estime que l’utilisation d’ondes électromagnétiques, plutôt que de lumière ou d’ultrasons, devrait surmonter le problème. « L’énergie électromagnétique aux basses fréquences passe essentiellement à travers [the skull]. C’est un gros problème », a déclaré Ganzer.
Une fois que les participants N3 ont déterminé comment gérer la physique des BCI, dit la DARPA, ils peuvent commencer à travailler sur la façon de coder et de décoder les signaux neuronaux, de créer un seul appareil pour la détection et la stimulation, de tester la sécurité et l’efficacité des systèmes sur les animaux, puis passez à les tester sur des volontaires humains.
Bien que l’on ne sache toujours pas comment le cerveau pourrait réagir à l’introduction de milliers de nanoparticules, l’utilisation d’autres nanoparticules en médecine pourrait fournir des indices. Les nanoparticules sont déjà utilisées dans les hôpitaux dans le cadre de «produits de contraste», une substance qui est injectée ou avalée par les patients pour faire apparaître plus clairement certaines parties du corps sur une image CT ou IRM.
Cependant, les produits de contraste ne sont censés être là que le temps nécessaire pour que l’imagerie soit terminée; une fois terminé, les particules seront éliminées du corps par l’urine et les fèces. Sera-t-il possible de faire en sorte que les nanoparticules utilisées par l’armée restent là où elles sont stockées aussi longtemps que nécessaire, puis retirées du corps une fois leur période de service terminée?
« Il existe un historique clinique d’introduction et d’élimination de ces particules à des niveaux non toxiques, ce qui est formidable. Nous explorons cette question – quelle est la densité des particules? Combien pouvons-nous en introduire en toute sécurité? À quelle vitesse sont-elles éliminées «Pouvons-nous accélérer le processus d’élimination? De nombreuses expériences à venir sont liées à cela, à la sécurité et à la destination des particules», explique Ganzer.
À l’inverse, la société cherche également à savoir si le temps que les particules passent à l’intérieur du corps peut être prolongé. Le défi de la DARPA stipule que les BCI devraient pouvoir être utilisés pendant deux heures, mais il est concevable que les systèmes du monde réel devront être in situ beaucoup plus longtemps pour faire face à de longues missions, potentiellement réinjectés ou remagnétisés pour les maintenir in situ pour une utilisation à plus long terme.
Créer un système qui peut fonctionner dans l’environnement difficile du corps humain est une chose, mais fabriquer un BCI capable de gérer la complexité de la pensée humaine en est une autre. Obtenir la bonne interface pour un système mini-invasif est une sorte de défi Boucle d’or: trop simple, et ce n’est pas utile; trop complexe et c’est une douleur pour l’utilisateur à manipuler.
« Il y a un compromis entre la complexité du feedback et la rapidité avec laquelle vous le ressentez intuitivement. Imaginez que vous ayez un système de feedback très simple, disons qu’il s’agit de quatre emplacements, et chacun signifie quelque chose de différent que vous apprenez au fil du temps. Si je augmentez cela à huit ou 20, ou quelque chose de plus complexe, je commence à mettre beaucoup de fardeau sur l’utilisateur. Il y a un sweet spot opérationnel où c’est facile à utiliser, cela ne demande pas beaucoup d’apprentissage, et vous ne le faites pas. Il faut y penser – il a ce naturel. Comme toute bonne technologie, cela fonctionne « , a déclaré Ganzer.
Les BCI peuvent intéresser les militaires en raison de leur potentiel à aider les soldats à gagner des batailles, mais une grande partie de la recherche révolutionnaire sur les interfaces cerveau-ordinateur est axée sur les applications médicales. En contournant les connexions brisées dans les voies qui mènent du cerveau aux muscles et à la peau, les BCI pourraient aider à surmonter la paralysie et la perte du sens du toucher résultant d’accidents vasculaires cérébraux et de lésions de la moelle épinière.
Un tel travail implique généralement des BCI invasifs – des systèmes qui nécessitent une intervention chirurgicale pour implanter des réseaux d’électrodes dans le cerveau – mais la nouvelle vague de systèmes non invasifs ou mini-invasifs pourrait offrir une alternative non chirurgicale à l’avenir. La perspective d’une alternative sans chirurgie pourrait également voir les BCI être utilisés dans un plus large éventail de conditions: Ganzer a déclaré qu’en plus des blessures à la colonne vertébrale et des accidents vasculaires cérébraux, des systèmes mini-invasifs pourraient éventuellement être utilisés pour l’épilepsie et la dépression.
