la pensée - WYSS Center

LES POUVOIRS DU CERVEAU
DIRIGER LES OBJETS PAR
LA PENSÉE
QUAND LES NEURONES PARLENT AUX MACHINES… GRÂCE À DES ÉLECTRODES
ET UN SYSTÈME SOPHISTIQUÉ DE TRADUCTION DES SIGNAUX ÉLECTRIQUES ÉMIS PAR
LE CERVEAU, NOUS POUVONS AUJOURD’HUI UTILISER NOTRE MENTAL POUR FAIRE
DÉCOLLER UN DRONE OU COMMANDER UN BRAS ARTIFICIEL. PAR ANNE DEBROISE
N
Séance d’électroencéphalographie (EEG) au
Centre Wyss de
Genève, consacré
aux biotechnologies et aux neurosciences au
service de la
recherche et des
interfaces cerveau-ordinateur.
ataliya Kosmyna court les foires,
les conférences et les salons.
Foire-expo de Paris, Wondercon
de Los Angeles, Conférence Interaction Homme-Machine
(CHI2016) de San José, Palais de
la découverte de Paris… Ses démonstrations font fureur. Car la
jeune Ukrainienne, qui a obtenu
un doctorat en informatique au Laboratoire d’informatique
de Grenoble en 2015, s’est spécialisée dans le contrôle des
objets par la pensée.
Pour les scientifiques, le concept n’est pas nouveau. Mais
Nataliya a mis au point des applications grand public qui suscitent un engouement inédit. Fan de Star Wars, elle est capable de contrôler le déplacement d’une réplique de l’irrésistible petit robot sphérique BB8 roulant sur une table (voir
photo p. 76) ou de faire décoller et atterrir une reproduction
du Millennium Falcon. Et surtout, elle propose au public de
tester son système. « Lors de mes démonstrations, environ
65 % des personnes qui font l’expérience réussissent effectivement à contrôler l’objet par la pensée. Et ça, au bout de
5 minutes d’entraînement seulement » , s’enorgueillit-elle.
Le grand apport de Nataliya a consisté à simplifier une technologie extrêmement complexe pour la mettre à la portée de
tout un chacun. Le succès est tel que ce genre d’application
pourrait bien figurer au hit-parade des prochains cadeaux de
Noël. Mais comment tout cela fonctionne-t-il ? Côté humain,
l’ingrédient essentiel est la concentration. Côté machine, il
faut surtout de bons algorithmes capables de reconnaître,
dans la prolifique activité cérébrale, LE signal capable de
commander le déplacement de l’objet.
Des électrodes sur le crâne
Le cerveau est le siège d’une intense activité qui permet de
contrôler les différents organes, et notamment les muscles,
de tout notre corps. Les cellules du cerveau, les neurones,
communiquent entre elles par de très faibles impulsions
électriques, qui circulent dans les fibres nerveuses jusqu’aux
organes auxquels elles sont destinées. Cette activité électrique génère à la surface du crâne des ondes électromagné-
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LES POUVOIRS DU CERVEAU
tiques que l’on peut capter par des systèmes d’électrodes
posées sur le cuir chevelu. « Il existe différents types de
casques, précise la jeune chercheuse. Les casques médicaux
que l’on utilise en laboratoire sont extrêmement performants et sensibles mais valent entre 10 000 et 20 000 euros.
Pour mes démonstrations, j’utilise des casques disponibles
sur le marché, qui valent entre 300 et 400 euros.»
Chaque électrode fournit un électroencéphalogramme : une
courbe qui décrit l’évolution du potentiel électrique sous
l’électrode au cours de l’enregistrement. Reste à la décrypter…
« Le problème c’est que nous ne comprenons pas grandchose au langage des neurones, reconnaît le neuroscientifique John Donoghue, qui dirige actuellement le Centre Wyss
pour la bio et neuroingénierie à Genève, en Suisse. Il est très
complexe d’extraire une information pertinente des signaux électriques que l’on récolte. »
L’idée consiste donc simplement à associer un type de
courbe recueillie par une électrode à une pensée. Pour rendre
son système plus facile d’utilisation, Nataliya Kosmyna, dans
un premier temps, a ciblé l’activité du cortex visuel. Cette
zone du cerveau, située à l’arrière de la tête, est dévolue à
l’interprétation des images. Pour faire décoller son drone,
elle se concentre par exemple sur l’image mentale d’un
nuage ; pour le propulser vers l’avant, elle fait le vide dans ses
pensées ; et pour le faire atterrir, elle imagine une pelouse
verte. Avant toute démonstration, les volontaires qu’elle
équipe d’un casque passent une minute à se concentrer sur
ces trois images (ou sur d’autres qu’ils auront choisies). Cet
exercice préalable permet à l’algorithme d’identifier dans
l’ensemble de signaux perçus les quelques motifs caractéristiques produits par chacune de ces images mentales à la surface du crâne. Lors de la démonstration, il « suffit » donc au
volontaire de se concentrer sur ces images pour mettre le
drone en mouvement. Ce qui demande malgré tout une
grande force mentale…
Commandes mentales
de mouvements complexes : lever le bras et articuler les doigts
pour saisir des objets, bouger les jambes et, le plus difficile,
contrôler l’équilibre pour envisager la marche…
« Le domaine des interfaces cerveau-machine était au ralenti depuis quelques années, mais il retrouve du dynamisme » , se félicite François Berger, neuroscientifique à l’université de Grenoble. L’aventure a commencé en 1988. Cette
année-là, le Yougoslave Stevo Bozinovski réussissait à démarrer et stopper le trajet d’un robot par la pensée grâce à des
électrodes posées sur son cuir chevelu.
Il faudra attendre dix ans pour qu’un neurologue audacieux,
l’Américain Philip Kennedy, annonce avoir implanté une
première électrode à l’intérieur même du cerveau pour recueillir les ordres des neurones directement à la source.
L’homme qu’il a équipé, tétraplégique à la suite d’un accident
vasculaire cérébral (AVC), utilise sa pensée pour déplacer,
péniblement, un curseur sur un écran et ainsi s’exprimer en
choisissant des lettres dans un alphabet.
L’invention des multi-électrodes*, capables de capter les
impulsions nerveuses d’une trentaine de neurones, va par la
suite permettre d’affiner le contrôle par la pensée. La première multi-électrode à avoir été autorisée pour de tels essais,
aux États-Unis, a été mise au point dans les années 1990 par
Ci-dessous,
démonstration
de l’application
conçue par
Nataliya Kosmyna
au Wondercon
2016, à Los Angeles.
L’enfant, plongé
dans l'univers de
Star Wars, imagine
Yoda pour faire
venir le robot BB8
vers lui et le
contrôler par
la force
de la pensée…
76
PARIS MATCH VOTRE CERVEAU
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fotolia
ricardo mireles
« En aucune façon ces systèmes de commande par la pensée ne permettent de lire dans le cerveau » , précise bien la
chercheuse. Ce qui représente un avantage d’un point de vue
MULTIÉLECTRODE
Les multiélectrodes qui
sont implantées
dans le cerveau
se présentent
sous la forme
d'une matrice,
avec des électrodes disposées
régulièrement.
Elles peuvent
capter et traiter
les signaux
qui sont émis
par les réseaux
de neurones avec
une précision
accrue.
Le but est d’aider
les personnes
handicapées à agir sur
leur environnement.
éthique constitue tout de même un gros inconvénient en
termes de précision de la commande mentale. Avec un tel
système, le contrôle se limite à quelques mouvements
simples : « décollage » , « atterrissage » , « aller tout droit » , auquel la chercheuse pourrait ajouter « à droite » , « à gauche » .
Pour l’instant, le dialogue cerveau-machine reste trop approximatif pour envisager de conduire un drone avec autant
d’aisance que l’on conduit une voiture.
Dans les laboratoires de recherche travaillant sur les interfaces
cerveau-machine, ce défaut de précision constitue un véritable défi. Leur but n’est pas de fabriquer des jeux mais d’aider
des personnes handicapées à communiquer et à agir sur leur
environnement. C’est le rêve poursuivi par le neurochirurgien
français Alim-Louis Benabid, fondateur du pôle de recherche
Clinatec, à Grenoble. Celui-ci lance cette année l’essai clinique
d’un système particulièrement innovant développé avec le
CEA : un exosquelette commandé par la pensée.
Baptisé EMY, cet assemblage ressemble à une sorte d’armure
moderne, capable de soutenir les bras et les jambes d’un patient paralysé. La plus grande nouveauté de cet exosquelette,
c’est son mode de commande. Le patient sera équipé de deux
électrodes. Après une courte opération, elles seront insérées
dans l’os du crâne, une pour chaque hémisphère. Directement
au contact de la dure-mère, l’enveloppe du cerveau, chaque
électrode recevra donc des signaux plus clairs que si elle était
en surface, mais elle ne sera pas directement en contact avec
la matière grise. Les signaux récoltés seront envoyés par ondes
radio à un programme informatique qui pilote l’exosquelette.
Celui-ci apprendra à décrypter les ondes électriques, en tentant d’y reconnaître cette fois-ci des signaux plus spécifiques
le bioingénieur Richard Normann à l’université de l’Utah,
avec l’idée de stimuler le cortex visuel de personnes aveugles
pour qu’elles recouvrent la vue. Il s’agit d’une plaquette de
4 mm de côté sur laquelle sont fichées 100 micro-électrodes.
C’est John Donoghue (université de Brown, États-Unis) qui le
persuadera de l’adapter pour commander des ordinateurs
par la pensée.
Un joueur de foot américain implanté
Le dispositif a d’abord été testé sur des animaux. Des rats ont
ainsi appris, en 1999, à utiliser cette multi-électrode pour actionner un bras robotique leur apportant une boisson sucrée.
Un singe réalisait le même exploit en 2003 à l’université d’Arizona. Enfin, en 2004, l’équipe de John Donoghue équipait un
homme de la fameuse multi-électrode. Il s’agit de Matthew
Nagle, ex-star de foot américain dans l’équipe de la Weymouth High School. Trois ans plus tôt, le jeune homme s’est
fait poignarder en portant secours à un ami engagé dans une
bagarre. Le coup a sectionné sa moelle épinière et l’a laissé
entièrement paralysé. Doté d’une volonté de fer, le jeune
homme apprend rapidement à diriger ses pensées pour déplacer un curseur sur un écran d’ordinateur. Une tâche qu’il
effectue avec une aisance inédite…
Les chercheurs travailleront par la suite à améliorer les capacités de décryptage des logiciels informatiques. Ils espèrent
pouvoir permettre aux patients de contrôler des mouvements
complexes. C’est en 2012 qu’ils démontreront qu’il ne s’agit pas
que d’un rêve. Cette année-là, les vidéos de Cathy Hutchinson
font le tour du Web. L’Américaine, paralysée à la suite d’un
accident vasculaire cérébral, a été équipée de la multi-élec-
1990
C’est depuis cette
décennie que
la première multi-­
électrode a été
autorisée pour
les essais du
bio­ingénieur
Richard Normann.
Son projet :
stimuler le cortex
visuel de
personnes
aveugles pour
qu’elles recou­
vrent la vue…
Le neuro­
scientifique
John Donoghue
(à gauche),
directeur du
Centre Wyss,
rêve de transformer le quotidien
des personnes
handicapées à
l’aide de systèmes
neuroprosthétiques utilisés
hors laboratoires.
Ce n’est qu’une
question de
temps…
Aujourd'hui, la
poignée de main
d'un robot (ci-dessous) peut être
déclenchée
par la pensée
de l’homme.
LES POUVOIRS DU CERVEAU
trode intracérébrale par l’équipe de John Donoghue. On se
concentrant sur ses pensées, elle réussit à commander un bras
robotisé posé à côté d’elle pour qu’il lui serve à boire.
Ces exemples sont spectaculaires, mais, comme le regrette
François Berger, ils ne parviennent pas à démontrer que les
interfaces cerveau-machine peuvent effectivement soulager
les patients paralysés dans leur vie quotidienne : « Ce sont des
approches “techno-push”... qui ne sont pas assez à l’écoute
des besoins exprimés par les patients. » Les dispositifs restaient lourds, coûteux, et leurs avantages limités. Le bras robotisé, posé sur la table d’un laboratoire, ne peut finalement
que saisir les quelques objets mis expressément à sa portée.
Une main paralysée
fonctionne à nouveau
sur les jeunes cerveaux
Plus personne n'imagine
l'éducation sans les outils
du numérique. Encore fautil les maîtriser pour garder
ses capacités cognitives.
E
the ohio state university wexner medical center and battelle
Ian Burkhart joue
les « guitar heros »
sur jeu vidéo grâce
au manchon
souple contenant
130 électrodes de
stimulation neuromusculaire mis en
place sur son
poignet paralysé.
C’est dans ce contexte que l’annonce faite, le 13 avril 2016, par
l’institut de recherche Battelle (Ohio, États-Unis) a fait sensation. L’équipe menée par l’ingénieur Chad Bouton a tout simplement redonné à un jeune tétraplégique l’usage de sa
propre main. Ian Burkhart s’est brisé le cou, et la 5e vertèbre,
le 13 juin 2010, après qu’une vague l’a violemment propulsé
contre un banc de sable. Il souffre depuis d’une lésion de la
moelle épinière. Il conserve un mouvement des épaules, du
coude, une mobilité partielle du poignet, mais ses doigts sont
totalement immobilisés. Or, six ans plus tard, il peut de nouveau se servir de sa main pour se verser à boire, porter le verre
à ses lèvres, ou encore jouer à un jeu vidéo de guitare.
Le jeune homme a été équipé d’une « dérivation neuronale » .
La multi-électrode de l’université de l’Utah lui a été implantée
dans le cerveau dans la zone précise qui commande la motri-
INTERNET: son impact
cité des doigts de la main. Cette multi-électrode est connectée
(par des fils) à un ordinateur qui décrypte les signaux reçus.
L’innovation est l’usage fait de ces signaux. Ils sont traduits en
impulsions électriques au niveau d’un manchon souple qui
enveloppe le poignet paralysé. Ce manchon est inspiré des électrodes de stimulation neuromusculaire utilisées par les sportifs
ou les kinésithérapeutes pour contracter les fibres musculaires
lors d’exercices de rééducation. Il contient 130 électrodes qui,
posées sur la peau, stimulent le muscle sous-jacent.
Ian Burkhart mettra deux ans à maîtriser le dispositif pour
reprendre le contrôle (partiel) de son poignet et de sa main, à
raison de 2 ou 3 séances d’entraînement par semaine, de 3 ou
4 heures chacune. Il complète cet apprentissage par de la rééducation pour retrouver un peu de la force perdue par sa main.
« Ian a appris à se saisir d’une bouteille, verser son contenu
dans un verre, poser la bouteille, saisir un bâton mélangeur,
remuer le contenu du verre et déposer le bâtonnet dans la
carafe » , décrit Chad Bouton. Il peut aussi se saisir d’un téléphone et le porter à son oreille, ou encore passer une carte
bancaire dans un distributeur.
Pour l’instant, Ian Burkhart ne peut utiliser ce dispositif que
dans le laboratoire scientifique où a lieu l’essai (photo cidessous). Chaque séance nécessite environ 2 heures de
mise en route : on lui enfile le manchon souple, on recalibre
ensuite l’ordinateur car le langage des neurones peut être
légèrement différent d’un jour à l’autre et le manchon pas
exactement positionné de la même manière. Mais l’expérience ouvre un nouvel horizon pour les paralysés, qui attendent beaucoup de ces outils permettant à leurs neurones
de parler aux machines.
78
PARIS MATCH VOTRE CERVEAU
n 2013, l’administration
Obama lançait l’initiative
ConnectED, dont
le but était de connecter 99 %
des écoles à l’Internet haut débit
en cinq ans. La même année,
le gouvernement promulguait en
France sa loi de refondation
de l’école au cœur de laquelle
figure une « grande ambition
numérique ». En mai 2015 le chef
de l’État, François Hollande,
annonçait qu’un milliard d’euros
seraient débloqués pour doter
100 % des collégiens d’équipements individuels mobiles
connectés (principalement
des tablettes) à l’horizon 2018.
Ils sont nés avec
et n’imaginent pas
Internet serait-il un outil indispencours d’introduction à l’économie
l’université de Lorraine. On le
leur vie sans.
sable pour l’éducation ?
et créé des groupes, dont un banvoit très vite : vous demandez à un
Donc pas question
d’interdire InterD’après l’Éducation nationale,
nissant tout usage d’ordinateur
élève de chercher quelque chose
net à nos enfants.
« 9 enseignants sur 10 sont
portable ou tablette. À la fin du
sur le Net, et, au bout de quelques
Mais comme
souvent, tout est
convaincus de l’intérêt des TIC*
cursus, les groupes où ils étaient
clics, il oublie tota­lement ce qu’il
dans la mesure
pour diversifier les pratiques, préautorisés obtenaient des résultats
était venu y faire. »
et l’éducation
parer les cours et les rendre plus
18 % inférieurs à ce dernier… Pour
L’usage d’Internet n’aurait cepenpour que la jeune
génération reste
attractifs. » Il est vrai qu’Internet
les auteurs de l’étude, « les étudant pas que des mauvais côtés.
intelligemment
propose une masse d’informadiants ont de moins bons résultats
« Chez les jeunes, l’usage
connectée.
tions quasiment infinie : des cours
quand ils ont accès à des technod’Internet donne une grande
donnés par des professeurs,
logies informatiques. Et il est fort
facilité à passer d’un sujet à
des forums d’aide en ligne,
probable que ces effets néfastes
l’autre, à manier un grand nombre
des vidéos d’expériences… Bref,
sont supérieurs à l’extérieur de
d’informa­tions », note le psychoselon toutes les apparences, un
West Point », c’est-à-dire dans
logue.Encore faudrait-il être,
kit complet pour réduire les inédes environnements où les élèves
ensuite, capable de trier et
eMust,
audit,à nos
ium harundem
tem inulliqui
nonsedit, sunt fuga. Nem
resciti d'organiser
issimpostiaetout
core
serfere
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galités dans
l’accès
l’éducation.
sont moins
disciplinés,
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Magnihicius
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niasper estotatur?
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