L’armée américaine essaie de lire dans les pensées

Un nouveau programme de recherche du DARPA développe des interfaces cerveau-ordinateur qui pourraient contrôler « des essaims de drones, fonctionnant à la vitesse de la pensée ». Et s’il réussit ?

En août, trois étudiants diplômés de l’Université Carnegie Mellon ont été entassés dans un petit laboratoire au sous-sol, sans fenêtre, à l’aide d’un cadre d’imprimante 3D muni d’un dispositif pour faire sauter une tranche de cerveau de souris à l’électricité.

Le fragment de cerveau, coupé dans l’hippocampe, ressemblait à un morceau d’ail émincé. Il reposait sur une plate-forme près du centre de la machine. Un tube étroit baignait la tranche dans une solution de sel, de glucose et d’acides aminés. Cela l’a maintenu en vie, d’une certaine manière : les neurones dans la tranche continuait de fonctionner, ce qui a permis aux expérimentateurs de recueillir des données. Un réseau d’électrodes sous la tranche délivrait les zaps électriques, tandis qu’une sonde métallique en forme de seringue mesurait la réaction des neurones. Des lampes à DEL brillantes illuminaient la parabole. L’installation, pour utiliser le jargon des membres du labo, était un peu trop compliquée.

Un moniteur à côté de l’appareil de mesure a affiché le stimulus et la réponse : des secousses d’électricité provenant des électrodes ont été suivies, quelques millisecondes plus tard, par le déclenchement des neurones. Plus tard, les chercheurs ont placé un matériau ayant les mêmes propriétés électriques et optiques qu’un crâne humain entre la tranche et les électrodes, pour voir s’ils pouvaient stimuler l’hippocampe de la souris à travers le crâne simulé également.

Ils faisaient cela parce qu’ils voulaient être capables de détecter et de manipuler les signaux dans le cerveau humain sans avoir à couper à travers le crâne et toucher les tissus délicats du cerveau. Leur but est de développer des interfaces cerveau-ordinateur précises et sensibles qui peuvent être enfilées et enlevées comme un casque ou un serre-tête, sans chirurgie.

Les crânes humains ont moins d’un centimètre d’épaisseur : l’épaisseur exacte varie d’une personne à l’autre et d’un endroit à l’autre. Ils agissent comme un filtre flou qui diffuse les formes d’ondes, qu’il s’agisse de courants électriques, de lumière ou de son. Les neurones dans le cerveau peuvent être aussi petits que quelques millièmes de millimètre de diamètre et générer des impulsions électriques aussi faibles qu’un vingtième de volt.

L’expérience des élèves visait à recueillir des données de base avec lesquelles ils pourraient comparer les résultats d’une nouvelle technique que Pulkit Grover, le chercheur principal de l’équipe, espère développer.

« Rien de tel n’est[maintenant] possible, et c’est vraiment difficile à faire « , dit Grover. Il codirige l’une des six équipes participant au Programme de neurotechnologie non chirurgicale de la prochaine génération, ou N³, une initiative de 104 millions de dollars lancée cette année par la Defense Advanced Research Projects Agency, ou DARPA. Pendant que l’équipe de Grover manipule les signaux électriques et ultrasonores, d’autres équipes utilisent des techniques optiques ou magnétiques. Si l’une ou l’autre de ces approches réussit, les résultats seront transformateurs.

La chirurgie coûte cher, et la chirurgie pour créer un nouveau genre de super guerrier est compliquée sur le plan éthique. Un appareil de lecture de l’esprit qui ne nécessite aucune intervention chirurgicale ouvrirait un monde de possibilités. Les interfaces cerveau-ordinateur, ou BCI, ont été utilisées pour aider les personnes atteintes de quadriplégie à reprendre un contrôle limité sur leur corps et pour permettre aux anciens combattants qui ont perdu des membres en Irak et en Afghanistan de contrôler des membres artificiels.

est la première tentative sérieuse de l’armée américaine de développer des BCI dans un but plus belliqueux. « Travailler avec des drones et des essaims de drones, fonctionner à la vitesse de la pensée plutôt qu’à l’aide de dispositifs mécaniques, voilà à quoi servent réellement ces dispositifs « , explique Al Emondi, le directeur de N³.

Jacques J. Vidal, informaticien à UCLA, a utilisé pour la première fois le terme « interface cerveau-ordinateur » au début des années 1970 ; c’est une de ces expressions, comme « intelligence artificielle », dont la définition évolue en fonction des capacités qu’elle décrit. L‘électroencéphalographie (EEG), qui enregistre l’activité électrique du cerveau au moyen d’électrodes placées sur le crâne, pourrait être considérée comme la première interface entre le cerveau et les ordinateurs. À la fin des années 1990, des chercheurs de la Case Western Reserve University avaient utilisé l’EEG pour interpréter les ondes cérébrales d’une personne tétraplégique, ce qui lui permettait de déplacer un curseur d’ordinateur à l’aide d’un fil s’étendant à partir des électrodes sur son cuir chevelu.

Les techniques invasives et non invasives de lecture dans le cerveau ont progressé depuis lors. Il en va de même pour les appareils qui stimulent le cerveau à l’aide de signaux électriques pour traiter des affections comme l’épilepsie. On peut soutenir que le mécanisme le plus puissant développé à ce jour s’appelle un tableau de l’Utah. Il ressemble à un petit lit de pointes, environ la moitié de la taille d’un ongle de l’auriculaire au total, qui peut pénétrer une partie donnée du cerveau.

Un jour de 2010, alors qu’il était en vacances sur les Outer Banks en Caroline du Nord, Ian Burkhart a plongé dans l’océan et s’est cogné la tête sur une bande de sable. Il a écrasé sa moelle épinière et a perdu ses fonctions à partir du sixième nerf cervical vers le bas. Il pouvait encore bouger ses bras à l’épaule et au coude, mais pas ses mains ou ses jambes. La physiothérapie n’a pas beaucoup aidé. Il a demandé à ses médecins du Wexner Medical Center de l’Ohio State University s’ils pouvaient faire autre chose. Il s’est avéré que Wexner espérait mener une étude avec Battelle, une société de recherche à but non lucratif, pour voir si elle pouvait utiliser un réseau de l’Utah pour réanimer les membres d’une personne paralysée.

Là où l’EEG montre l’activité globale d’innombrables neurones, les réseaux de l’Utah peuvent enregistrer les impulsions d’un petit nombre d’entre eux, ou même d’un seul. En 2014, les médecins ont implanté une matrice de l’Utah dans la tête de Burkhart. Le réseau a mesuré le champ électrique à 96 endroits dans son cortex moteur, 30 000 fois par seconde. Burkhart est venu au laboratoire plusieurs fois par semaine pendant plus d’un an, et les chercheurs de Battelle ont formé leurs algorithmes de traitement du signal pour capturer ses intentions comme il le pensait, difficilement et systématiquement, sur la façon dont il allait bouger sa main s’il pouvait.

Un câble épais, relié à un support sortant du crâne de Burkhart, envoyait les impulsions mesurées par le réseau de l’Utah à un ordinateur. L’ordinateur les a décodés et a ensuite transmis les signaux à un manchon d’électrodes qui couvrait presque son avant-bras droit. La manche a activé ses muscles pour effectuer les mouvements qu’il voulait, comme saisir, soulever et vider une bouteille ou retirer une carte de crédit de son portefeuille.

Cela a fait de Burkhart l’une des premières personnes à reprendre le contrôle de ses propres muscles grâce à un tel « bypass neural ». Battelle – une autre des équipes du programme N³ – travaille maintenant avec lui pour voir si elles peuvent obtenir les mêmes résultats sans implant crânien.

Cela signifie qu’il ne faut pas seulement inventer de nouveaux dispositifs, mais aussi de meilleures techniques de traitement du signal pour donner un sens aux signaux plus faibles et brouillés qui peuvent être captés à l’extérieur du crâne. C’est pourquoi l’équipe de Carnegie Mellon N³ est dirigée par Grover, un ingénieur électricien de formation et non un neuroscientifique.

« Je suis super motivé pour ça, plus que n’importe qui d’autre dans la pièce. »

Peu après son arrivée à Carnegie Mellon, un ami de la faculté de médecine de l’Université de Pittsburgh l’a invité à participer à des réunions cliniques pour les patients épileptiques. Il a commencé à soupçonner que l’EEG permettait de déduire beaucoup plus d’informations sur le cerveau qu’on ne le croyait et, inversement, qu’une manipulation intelligente des signaux externes pouvait avoir des effets au fond du cerveau. Quelques années plus tard, une équipe dirigée par Edward Boyden du Center for Neurobiological Engineering du MIT a publié un article remarquable qui allait bien au-delà de l’intuition générale de Grover.

Le groupe de Boyden avait appliqué deux signaux électriques, de fréquences élevées mais légèrement différentes, à l’extérieur du crâne. Celles-ci n’ont pas affecté les neurones proches de la surface du cerveau, mais ceux plus profonds à l’intérieur. Dans un phénomène connu sous le nom d’interférence constructive, ils se combinent pour produire un signal à basse fréquence qui stimule les neurones à se déclencher.

Grover et son groupe travaillent maintenant à étendre les résultats de Boyden avec des centaines d’électrodes placées à la surface du crâne, à la fois pour cibler précisément de petites régions à l’intérieur du cerveau et pour « diriger » le signal afin qu’il puisse passer d’une région du cerveau à une autre pendant que les électrodes restent en place. C’est une idée que les neuroscientifiques n’auraient probablement pas eue, dit Grover.

Pendant ce temps, au Laboratoire de physique appliquée (APL) de l’Université Johns Hopkins, une autre équipe N³ utilise une approche complètement différente : la lumière proche infrarouge.

La compréhension actuelle est que le tissu neural gonfle et se contracte lorsque les neurones déclenchent des signaux électriques. Ces signaux sont ceux que les scientifiques enregistrent avec l’EEG, un réseau de l’Utah ou d’autres techniques. Dave Blodgett, de l’APL, soutient que le gonflement et la contraction des tissus est un aussi bon signal de l’activité neuronale, et il veut construire un système optique qui puisse mesurer ces changements.

Les techniques du passé ne pouvaient pas capturer de si petits mouvements physiques. Mais Blodgett et son équipe ont déjà montré qu’ils peuvent voir l’activité neuronale d’une souris quand elle fait vibrer ses moustaches. Dix millisecondes après un mouvement de moustache, Blodgett enregistre les neurones correspondants en utilisant sa technique de mesure optique. (Il y a 1 000 millisecondes en une seconde et 1 000 microsecondes en une milliseconde.) Dans les tissus neuronaux exposés, son équipe a enregistré l’activité neurale en 10 microsecondes, aussi rapidement qu’un réseau en Utah ou d’autres méthodes électriques.

Le prochain défi est de faire tout cela à travers le crâne. Cela peut sembler impossible : après tout, les crânes ne sont pas transparents à la lumière visible. Mais la lumière proche infrarouge peut traverser l’os. L’équipe de Blodgett tire des lasers infrarouges de faible puissance à travers le crâne et mesure ensuite comment la lumière de ces lasers est diffusée. Il espère que cela leur permettra de déduire quelle activité neuronale a lieu. L’approche est moins bien prouvée que l’utilisation de signaux électriques, mais ce sont exactement les types de risques que les programmes DARPA sont conçus pour prendre.

De retour chez Battelle, Gaurav Sharma développe un nouveau type de nanoparticule qui peut traverser la barrière hémato-encéphalique. C’est ce que la DARPA appelle une technique peu invasive. La nanoparticule possède un noyau magnétiquement sensible à l’intérieur d’une enveloppe faite d’un matériau qui produit de l’électricité lorsque la pression est appliquée. Si ces nanoparticules sont soumises à un champ magnétique, le noyau interne exerce une contrainte sur la coque, qui génère alors un petit courant. Un champ magnétique est bien meilleur que la lumière pour « voir » à travers le crâne, dit Sharma. Différentes bobines magnétiques permettent aux scientifiques de cibler des parties spécifiques du cerveau, et le processus peut être inversé – les courants électriques peuvent être convertis en champs magnétiques pour que les signaux puissent être lus.

Reste à voir laquelle, le cas échéant, de ces approches sera couronnée de succès. D’autres équipes de N³ utilisent diverses combinaisons d’ondes lumineuses, électriques, magnétiques et ultrasonores pour faire entrer et sortir des signaux du cerveau. La science est sans aucun doute passionnante. Mais cette excitation peut obscurcir à quel point le Pentagone et des entreprises comme Facebook, qui sont aussi en train de développer des BCI, sont mal équipés pour répondre aux nombreuses questions éthiques, juridiques et sociales que soulève un BCI non invasif. Comment des essaims de drones contrôlés directement par un cerveau humain peuvent-ils changer la nature de la guerre ? Emondi, le chef de N³, dit que les interfaces neuronales seront utilisées comme elles sont nécessaires. Mais la nécessité militaire est un critère malléable.

En août, Techreview a visité un laboratoire à Battelle où Burkhart avait passé les dernières heures à réfléchir à une nouvelle manche, équipée de 150 électrodes qui stimulent les muscles de ses bras. Lui et les chercheurs espéraient pouvoir faire fonctionner le manchon sans avoir à compter sur le réseau de l’Utah pour capter les signaux du cerveau.

Si votre moelle épinière a été brisée, penser à bouger votre bras est un travail difficile. Burkhart était fatigué. « Il y a une performance notée : à quel point je pense difficilement à quelque chose, cela se traduit par beaucoup de mouvement « , m’a-t-il dit. Alors qu’avant[l’accident] vous ne pensiez pas, « Ouvrez la main », nous autres, on prend juste la bouteille. « Mais je suis super motivé pour ça, plus que n’importe qui d’autre dans la pièce, » dit-il. Burkhart a fait en sorte qu’il soit facile de voir le potentiel de la technologie.

Il m’a dit que depuis qu’il a commencé à travailler avec le réseau de l’Utah, il est devenu plus fort et plus habile même lorsqu’il ne l’utilise pas, à tel point qu’il vit maintenant seul, ne nécessitant que quelques heures d’aide par jour. « Je parle plus avec mes mains. Je peux tenir mon téléphone, dit-il. « Si ça devient quelque chose que je peux utiliser tous les jours, je le porterais aussi longtemps que je le peux. »

Via Techreview

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