Interface cerveau-machine

La pensée peut-elle commander le mouvement sans l’intermédiaire du corps, et diriger ainsi une machine ? Ce qui était jadis un thème de science-fiction est devenu une réalité avec les interfaces cerveau-machine.

© Inserm, unité Inserm 821 "Dynamique Cérébrale et Cognition" (69-BRON) - La personne équipée d’un casque EEG focalise son attention sur la lettre qu’elle veut épeler. Lorsque cette lettre est flashée, une onde cérébrale particulière est générée ; elle est ensuite récupérée, détectée et interprétée par la machine. Cette application permet ainsi d’écrire du texte par la pensée.

© Inserm, unité Inserm 821 "Dynamique Cérébrale et Cognition" (69-BRON)

La personne équipée d’un casque EEG focalise son attention sur la lettre qu’elle veut épeler. Lorsque cette lettre est flashée, une onde cérébrale particulière est générée ; elle est ensuite récupérée, détectée et interprétée par la machine. Cette application permet ainsi d’écrire du texte par la pensée.

L’ICM et ses applications médicales

Une interface cerveau-machine (ICM) désigne un système de liaison directe entre un cerveau et un ordinateur, permettant à un individu de communiquer avec son environnement sans passer par l’action des nerfs périphériques et des muscles. L’idée est déjà ancienne, puisque le concept a été proposé en 1973 dans un article de Jacques J. Vidal et que les premiers essais cliniques sur l’homme ont été menés en 1980 par l’équipe de Thomas Elbert.
La médecine est bien sûr une des applications majeures des ICM et de nombreux patients sont concernés. Par exemple, certains accidents vasculaires cérébraux dans le tronc cérébral provoquent une paralysie complète, à la seule exception des paupières, alors même que le sujet est parfaitement conscient (locked-in syndrom). Les scléroses latérales amyotrophiques (maladie de Lou Gehrig ou de Charcot) se caractérisent, quant à elles, par une paralysie et une amyotrophie progressives, privant les patients de leur capacité à communiquer et se mouvoir. Les lésions de la moelle épinière privent pareillement certaines victimes de l’usage de leurs membres supérieurs et inférieurs.

Interpréter les signaux cérébraux

La structure d’une ICM comprend un système d’acquisition et de traitement des signaux cérébraux, un système de classification et traduction de ces signaux dans un ordinateur, un système de commande mécanique d’un élément de l’environnement (un clavier sur écran, un fauteuil roulant, une prothèse, etc.), et une boucle finale d’apprentissage par rétroaction, permettant à l’utilisateur de progresser dans la maîtrise de l’ICM et à l’ICM d’affiner l’interprétation des activités cérébrales du patient (biofeedback).
Les signaux proviennent de l’activité électrique des neurones. Leur acquisition peut être invasive : une électrode unique ou une grille d’électrodes est alors implantée dans le cortex, avec une excellente résolution spatiale (sensibilité au neurone ou au microréseau de neurones). Une grille d’électrodes est parfois posée sous ou sur la dure-mère, permettant de produire un électrocorticogramme. Les techniques non invasives consistent à placer les électrodes sur le cuir chevelu, afin de produire un électroencéphalogramme. Mais la résolution spatiale est alors faible et la durée d’enregistrement est limitée à quelques jours.
Les signaux de l’activité cérébrale du patient sont plus ou moins complexes à traiter, selon qu’il s’agit du potentiel d’action d’un seul neurone ou de l’activité de plusieurs millions d’entre eux. La difficulté réside aussi dans le processus d’apprentissage réciproque entre l’individu et le système.

ICM synchrones et asynchrones
On distingue les ICM asynchrones (le patient modifie volontairement son activité cérébrale et la variation neurale correspondante est traitée) et les ICM synchrones (le patient reçoit des stimuli à haute cadence et le système analyse sa réponse neurale).

Limiter le "bruit" des informations neurales

Les signaux analysés peuvent donc être de diverses natures selon l’activité neurale (potentiels corticaux lents, activité oscillatoire sensorimotrice, potentiels évoqués visuels de bas niveau, potentiels évoqués par un événement). Mais ces signaux ont nécessairement du bruit de fond, c’est-à-dire une marge plus ou moins grande d’incertitude dans leur émission et leur interprétation, bruit qui peut être dû, par exemple, à des activités mentales involontaires du sujet ou à la superposition des champs électriques de larges populations neurales. Des techniques de filtrage spatial et temporel sont donc nécessaires en prétraitement du signal d’activité cérébrale, de même que la classification ultérieure des données appelle une extraction d’un signal cohérent et stable depuis les données brutes (vectorisation, transformation, paramétrisation, etc.).
Ces domaines et bien d’autres - amélioration et miniaturisation des implants, gestion du débit d’information, connexion des ICM à la robotique, ergonomie et accessibilité pour le patient - font aujourd’hui l’objet de travaux dans une quinzaine de laboratoires en France.

Schéma général de fonctionnement d’une interface cerveau-ordinateur (extrait de Fabien Lotte, Anatole Lecuyer, Bruno Arnaldi, Les interfaces cerveau-ordinateur : utilisation en robotique et avancées récentes, Journées nationales de la recherche en robotique, 2007, Obernai)

Ecrire par la pensée
Dans le domaine de la santé, les applications semblent encore plus prometteuses. Pour les personnes présentant un handicap sévère, OpenViBE peut les aider à communiquer, notamment en écrivant sur un ordinateur par la pensée. "Grâce au logiciel OpenViBE, nous avons développé une interface baptisée P300 Speller, qui permet d’écrire des phrases en sélectionnant par la pensée des lettres présentées sur un écran, illustre Olivier Bertrand, directeur de l’unité Inserm 821 "Dynamique cérébrale et cognition" à Bron, près de Lyon. Sur l’écran, les lettres sont successivement surlignées ou "flashées" par lignes et colonnes. Le patient équipé d’un casque EEG doit focaliser son attention sur la lettre qu’il souhaite épeler. Lorsque cette lettre est "flashée", une onde cérébrale est produite, puis détectée et interprétée par l’ordinateur. Lettre après lettre, le patient construit des mots, puis des phrases, sur l’écran."
Ce phénomène est bien connu des scientifiques. Cette onde est produite lorsqu’un individu a détecté un stimulus attendu, mais imprévisible. Elle survient 300 millisecondes après la stimulation, d’où son nom de P300. Grâce à elle, il est possible de savoir sur quelle lettre le patient vient de focaliser son attention.

Pour aller plus loin

Communiqué de presse

OpenViBE : Le premier logiciel français issu de la recherche nationale sur les Interfaces Cerveau-Ordinateur permettant "d’agir par la pensée" (13 mai 2009)

Télécharger le logiciel OpenViBE

Inserm actualités

OpenViBE : un logiciel pour agir par la pensée

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