Vers la prochaine génération de systèmes d’interface cerveau-ordinateur ? Un nouveau type de système d’interface neuronale qui coordonne l’activité de centaines de minuscules capteurs cérébraux pourrait un jour approfondir la compréhension du cerveau et conduire à de nouvelles thérapies médicales.
Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI – Brain Computer Interface) sont des dispositifs d’assistance émergents qui pourraient un jour aider les personnes souffrant de lésions cérébrales ou vertébrales à se déplacer ou à communiquer. Les systèmes BCI dépendent de capteurs implantables qui enregistrent les signaux électriques dans le cerveau et utilisent ces signaux pour piloter des dispositifs externes tels que des ordinateurs ou des prothèses robotisées.
La plupart des systèmes BCI actuels utilisent un ou deux capteurs pour échantillonner jusqu’à quelques centaines de neurones, mais les neuroscientifiques s’intéressent aux systèmes capables de recueillir des données provenant de groupes de cellules cérébrales beaucoup plus importants.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs a franchi une étape clé vers un nouveau concept de futur système de BCI, qui utilise un réseau coordonné de microcapteurs neuronaux indépendants et sans fil, chacun de la taille d’un grain de sel, pour enregistrer et stimuler l’activité cérébrale. Les capteurs, appelés « neurograins« , enregistrent de manière indépendante les impulsions électriques produites par les neurones en activité et envoient les signaux sans fil à un centre qui les coordonne et les traite.
Dans une étude publiée le 12 août dans Nature Electronics, l’équipe de recherche a démontré l’utilisation de près de 50 neurograins autonomes de ce type pour enregistrer l’activité neuronale d’un rongeur.
Selon les chercheurs, ces résultats constituent une étape vers un système qui pourrait un jour permettre d’enregistrer les signaux cérébraux avec un niveau de détail sans précédent, ce qui permettrait de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau et de mettre au point de nouvelles thérapies pour les personnes souffrant de lésions cérébrales ou vertébrales.
« L’un des grands défis dans le domaine des interfaces cerveau-ordinateur est de trouver des moyens de sonder autant de points du cerveau que possible », a déclaré Arto Nurmikko, professeur à l’école d’ingénierie de Brown et auteur principal de l’étude. « Jusqu’à présent, la plupart des BCI étaient des dispositifs monolithiques, un peu comme des petits lits d’aiguilles. L’idée de notre équipe était de décomposer ce monolithe en minuscules capteurs qui pourraient être répartis dans le cortex cérébral. C’est ce que nous avons pu démontrer ici ».
L’équipe, qui comprend des experts de Brown, de l’université Baylor, de l’université de Californie à San Diego et de Qualcomm, a commencé à développer le système il y a environ quatre ans. Le défi était double, a déclaré M. Nurmikko, qui est affilié au Carney Institute for Brain Science de Brown. Il s’agissait d’abord de réduire la taille de l’électronique complexe impliquée dans la détection, l’amplification et la transmission des signaux neuronaux dans les minuscules puces en silicium du neurograin. L’équipe a d’abord conçu et simulé l’électronique sur un ordinateur, puis a procédé à plusieurs itérations de fabrication pour mettre au point des puces opérationnelles.
Le deuxième défi consistait à développer le centre de communication externe au corps qui reçoit les signaux de ces minuscules puces. Le dispositif est un mince patch, de la taille d’une empreinte de pouce, qui se fixe sur le cuir chevelu à l’extérieur du crâne. Il fonctionne comme une tour de téléphonie cellulaire miniature, utilisant un protocole de réseau pour coordonner les signaux des neurograins, chacun d’entre eux ayant sa propre adresse réseau. Le patch alimente également sans fil les neurograins, qui sont conçus pour fonctionner avec une quantité minimale d’électricité.
« Ce travail a constitué un véritable défi multidisciplinaire », a déclaré Jihun Lee, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l’étude. « Nous avons dû réunir des compétences en électromagnétisme, communication par radiofréquence, conception de circuits, fabrication et neurosciences pour concevoir et faire fonctionner le système neurograin. »
L’objectif de cette nouvelle étude était de démontrer que le système pouvait enregistrer les signaux neuronaux d’un cerveau vivant — dans ce cas, le cerveau d’un rongeur. L’équipe a placé 48 neurograins sur le cortex cérébral de l’animal, la couche externe du cerveau, et a réussi à enregistrer les signaux neuronaux caractéristiques associés à l’activité cérébrale spontanée.
L’équipe a également testé la capacité des dispositifs à stimuler le cerveau et à en enregistrer les signaux. La stimulation se fait au moyen de minuscules impulsions électriques qui peuvent activer l’activité neuronale. La stimulation est pilotée par le même concentrateur qui coordonne l’enregistrement neuronal et pourrait un jour restaurer les fonctions cérébrales perdues à la suite d’une maladie ou d’une blessure, espèrent les chercheurs.
La taille du cerveau de l’animal a limité l’équipe à 48 neurograins pour cette étude, mais les données suggèrent que la configuration actuelle du système pourrait en supporter jusqu’à 770. À terme, l’équipe envisage de passer à plusieurs milliers de neurograins, ce qui permettrait d’obtenir une image de l’activité cérébrale actuellement inaccessible.
« C’était un véritable défi, car le système exige un transfert d’énergie sans fil et une mise en réseau simultanés à un débit de l’ordre du méga-bit par seconde, et ce dans le cadre de contraintes extrêmement strictes en matière de surface et de puissance du silicium », a déclaré Vincent Leung, professeur associé au département de génie électrique et informatique de Baylor. « Notre équipe a repoussé les limites des implants neuronaux distribués. »
Il y a encore beaucoup de travail à faire pour que ce système complet devienne une réalité, mais les chercheurs ont déclaré que cette étude représente une étape clé dans cette direction.
« Notre espoir est que nous puissions finalement développer un système qui apporte de nouvelles connaissances scientifiques sur le cerveau et de nouvelles thérapies pouvant aider les personnes touchées par des blessures dévastatrices », a déclaré Nurmikko.
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