Contrôler un ordinateur par la pensée était autrefois de la pure science-fiction, mais c'est maintenant plausible grâce à la technologie d'interface cerveau-ordinateur (BCI). Les systèmes BCI d'aujourd'hui ont réalisé des avancées extraordinaires pour contrôler des machines complexes par la pensée, mais il reste un obstacle majeur : l'identification d'un nouveau signal pouvant être enregistré à travers le cuir chevelu et le crâne.
Des chercheurs du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) à Laurel, Maryland, et de l'École de Médecine de Johns Hopkins à Baltimore ont réalisé une percée dans l'enregistrement non invasif et haute résolution de l'activité cérébrale neuronale.
Dans un article publié dans Scientific Reports, l'équipe démontre que les déformations des tissus neuronaux peuvent fournir un signal nouveau pour l'activité cérébrale qui a le potentiel d'être exploité pour de futurs dispositifs BCI.
La recherche de l'APL faisait partie du programme de neurotechnologie non chirurgicale de prochaine génération de la Defense Advanced Research Projects Agency.
"Aujourd'hui, les technologies BCI les plus impactantes nécessitent des implants chirurgicaux invasifs pour enregistrer et décoder l'activité cérébrale", a déclaré Mike Wolmetz, responsable du programme pour l'intelligence humaine et machine à l'APL.
"Il n'existe qu'une poignée de méthodes non chirurgicales, toutes ayant des limitations significatives et fondamentales en termes de résolution spatiale, de résolution temporelle, de rapport signal/bruit et de facteur de forme. Nos découvertes présentent les bases d'une nouvelle approche qui pourrait considérablement élargir les possibilités pour les BCI non chirurgicales."
Les technologies BCI fonctionnent en enregistrant l'activité neuronale associée à une fonction telle que la parole, le mouvement ou l'attention, puis en interprétant cette activité, souvent pour contrôler un dispositif externe sans avoir à bouger un muscle.
Contrôler des systèmes complexes sans implants chirurgicaux pourrait avoir des applications larges bénéficiant à une population plus large. Aujourd'hui, le BCI est limité aux cas cliniques en raison de sa nature invasive. Environ 50 personnes ont eu un BCI implanté.
"Il y a deux défis pour réaliser un dispositif BCI non invasif : identifier un signal dans le cerveau qui pourrait fournir un aperçu de quand et où l'activité neuronale se produit, et démontrer la capacité d'enregistrer ce signal à travers le cuir chevelu et le crâne d'une personne", a déclaré David Blodgett, l'investigateur principal du projet et scientifique en chef à l'APL.
L'équipe a cherché à relever le premier de ces défis en développant un système d'imagerie holographique numérique (DHI) pour identifier et valider le signal comme déformation des tissus qui se produit pendant l'activité neuronale. La déformation des tissus n'est que de quelques dizaines de nanomètres de hauteur, donc le système DHI a été développé avec des sensibilités à l'échelle nanométrique.
Le système DHI fonctionne en illuminant activement le tissu avec un laser et en enregistrant la lumière diffusée par le tissu neuronal sur une caméra spéciale.
Ces informations sont traitées pour former une image complexe du tissu à partir de laquelle les informations de magnitude et de phase peuvent être précisément enregistrées pour résoudre spatialement les changements de vitesse du tissu cérébral. De nombreux tests fondamentaux ont été réalisés pendant plusieurs années pour s'assurer que le signal identifié par l'équipe était en fait corrélé au moment où les neurones s'activaient.
Le signal neural était difficile à identifier en raison du bruit concurrent provenant de l'encombrement physiologique tel que le flux sanguin, le rythme cardiaque et le rythme respiratoire.
Blodgett, dont l'expérience est dans le développement de technologies de télédétection aérienne et sous-marine, a décrit le défi comme un problème de télédétection, où l'équipe devait détecter un petit signal -- l'activité neuronale -- dans un environnement complexe et encombré -- le cerveau.
Pour relever ce défi, un large éventail de capacités techniques était requis. Blodgett et son équipe ont collaboré avec Johns Hopkins Medicine et ont rassemblé une expertise multidisciplinaire en imagerie biomédicale, imagerie sous-marine, traitement acoustique, systèmes matériels et logiciels en temps réel, neurosciences et recherche médicale.
Bien que l'objectif de l'équipe ait été de réduire l'encombrement physiologique pour identifier le signal neural, ils ont découvert que l'encombrement pouvait également fournir un aperçu de la santé d'un individu. La capacité d'enregistrer des signaux physiologiques élargit le potentiel d'application du système.
Un exemple était la réalisation que le système était capable d'enregistrer non invasivement la pression intracrânienne. Lorsque les médecins doivent mesurer la pression intracrânienne d'un patient, ils doivent percer un trou dans le crâne.
Si quelqu'un subit une lésion cérébrale traumatique et reçoit un médicament, les médecins ne savent pas si le médicament fonctionne jusqu'à ce que le patient se réveille. La capacité de surveiller la santé du cerveau de l'extérieur pourrait aider les cliniciens à relever ces défis sans méthodes invasives.
"Être capable de surveiller la fonction et la santé du cerveau à travers le crâne sans interventions chirurgicales invasives est très cliniquement utile", a déclaré Austen Lefebvre, professeur adjoint de neurologie à l'Université Johns Hopkins et auteur de l'article.
"Bien qu'il reste encore beaucoup à comprendre sur le signal neural, les découvertes de l'équipe ouvrent de nouvelles avenues pour l'enregistrement optique de la fonction cérébrale en établissant l'imagerie holographique numérique comme une modalité non invasive capable d'enregistrements haute résolution", a déclaré Wolmetz. "La priorité maintenant est de démontrer le potentiel d'application en neurosciences fondamentales et cliniques chez l'homme."