Interface Cerveau-ordinateur : Un Plug-in Pour La Médecine Moderne, Mais Aussi Un Pari Pour Les Patients Paralysés
Le 17 mai, Musk a déclaré publiquement qu'après la première implantation réussie d'une puce cérébrale dans le cerveau d'un patient plus tôt cette année, Neuralink recherchait un deuxième sujet pour subir l'opération.
Le 20 mai, la Food and Drug Administration (FDA) américaine a autorisé la société Neuralink de Musk à implanter une puce cérébrale chez un deuxième patient, mais la lettre d'approbation stipulait :Neuralink doit résoudre le dysfonctionnement de l'implant d'interface cerveau-ordinateur survenu chez le premier sujet testé.
Le « problème de dysfonctionnement » mentionné par la FDA,Cela signifie que dans la puce d'implant cérébral du premier patient, seulement environ 15% des fils d'électrode fonctionnent correctement, 85% des fils sont décalés et de nombreux threads qui ne peuvent pas recevoir de signaux ont été arrêtés.Bien que Neuralink n'ait été annoncé qu'en mars de cette année, cet homme, devenu tétraplégique à la suite d'un accident de plongée il y a huit ans, a pu contrôler la souris avec son esprit, jouer aux échecs et à des jeux en ligne moins de deux mois après avoir subi une opération d'interface cerveau-ordinateur.
En fait,La sécurité des interfaces cerveau-ordinateur a toujours été controversée.Le cerveau est l’organe le plus important et le plus fragile du corps humain. Sa précision et sa complexité sont difficiles à analyser. Lors d’une intervention chirurgicale sur le cerveau, chaque geste doit être soigneusement étudié.
D'un autre point de vue, en insérant simplement un câble derrière le cerveau, les gens peuvent changer la « réalité » par des « pensées » : les sourds peuvent « entendre des sons » ; les patients paralysés peuvent commander des bras robotisés ; Les personnes atteintes d'aphasie peuvent « parler »... Cette thérapie a ouvert une nouvelle voie à l'industrie médicale et apporté un nouvel espoir aux patients concernés. Bien qu'il semble que les interfaces cerveau-ordinateur soient encore loin d'atteindre leur pleine maturité et de pouvoir être testées à grande échelle sur l'homme, avec le soutien continu de la productivité technologique, elles ont déjà tranquillement pris racine et germé, montrant une forte vitalité et une marge de croissance.
La technologie d'interface cerveau-ordinateur ouvre une nouvelle ère d'interaction homme-ordinateur
La perception, la pensée, le langage et les capacités motrices humaines sont tous obtenus grâce au contrôle efficace des organes du corps et des groupes musculaires par le cerveau.La technologie d’interface cerveau-ordinateur crée un chemin de connexion pour l’échange d’informations entre le cerveau humain ou animal et les appareils externes.Il peut convertir directement les informations envoyées par le cerveau en commandes qui peuvent piloter des appareils externes et remplacer les membres humains ou les organes du langage, réalisant ainsi le contrôle humain sur l'environnement extérieur.
En 1969, le scientifique Eberhard Fitz a mené une expérience intéressante : il a connecté un neurone du cerveau d'un singe à un tableau de bord. Si le singe pouvait déclencher le neurone par une certaine façon de penser et faire bouger le pointeur du tableau de bord, il recevrait une balle au goût de banane en guise de récompense. Afin d’obtenir plus de récompenses, les singes ont appris à contrôler le déclenchement des neurones. De cette façon, le singe est devenu par accident le premier « sujet » au monde d’interface cerveau-ordinateur.
Le succès des expériences sur les animaux constitue une source d’inspiration importante pour la recherche sur les interfaces cerveau-ordinateur dans la société humaine.Dès les années 1990, le neurologue américain Phil Kennedy a tenté d'implanter une interface cerveau-ordinateur dans le cerveau d'un patient paralysé, lui permettant de communiquer en tapant avec son esprit. Cela marque une avancée importante pour la technologie d’interface cerveau-ordinateur dans la société humaine.
De nos jours, la technologie d’interface cerveau-ordinateur génère de plus en plus de données, et la gestion et l’analyse efficaces de ces données sont devenues un défi majeur. Grâce au développement de la technologie de l’IA, les chercheurs peuvent continuellement améliorer l’efficacité de leurs recherches scientifiques en établissant des modèles de signaux, en filtrant le bruit, en optimisant le traitement des données et en extrayant des informations efficaces. En termes de soutien à la politique intérieure, l'interface cerveau-ordinateur a également été répertoriée comme l'une des quatre orientations clés par le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information en septembre 2023.La biotechnologie de pointe représentée par les interfaces cerveau-ordinateur devient un « nouveau champ de bataille » pour l’interaction entre la prochaine génération de sciences de la vie et les technologies de l’information.
Du cuir chevelu au cortex, trois grandes stratégies d'implémentation des interfaces cerveau-ordinateur
Il existe trois principales formes d’interfaces cerveau-ordinateur : non invasive, invasive et semi-invasive.
- Non invasif : pas besoin d’envahir le cerveau, mais via des dispositifs portables fixés au cuir chevelu pour enregistrer et interpréter les informations cérébrales.
Bien que cette technologie évite une intervention chirurgicale dangereuse, en raison de l'atténuation des signaux cérébraux par le crâne et de la dispersion et du flou des ondes électromagnétiques, la force et la résolution du signal finalement enregistrées par l'appareil sont faibles, ce qui rend difficile la détermination de la région cérébrale source du signal ou de la décharge des neurones associés.
- Semi-invasif : L'interface cerveau-ordinateur est implantée dans la cavité crânienne, à l'extérieur du cortex cérébral.
Cette technologie est principalement basée sur l’analyse des informations de l’électrocorticogramme (ECoG). La force du signal et la résolution obtenues sont meilleures que celles des méthodes non invasives, mais plus faibles que celles des méthodes invasives. Cela peut réduire le risque de réponse immunitaire et de callosités.
- Invasif : les électrodes sont implantées chirurgicalement directement dans le cortex cérébral.
Cette technologie permet d’obtenir des signaux neuronaux de haute qualité, mais elle présente des risques de sécurité élevés. Par exemple, l’invasion de corps étrangers peut déclencher une réponse immunitaire et la formation de cals, et la plaie peut être difficile à cicatriser et déclencher une série de réactions telles qu’une inflammation.
Parmi elles, la société d'Elon Musk, Neuralink, adopte une solution technologique d'interface cerveau-ordinateur invasive. Grâce à la craniotomie, des électrodes sont placées dans le cerveau humain, puis entrent en contact avec les cellules neuronales pour acquérir et décoder les signaux EEG. Miguel Nicolelis, le père de l’interface cerveau-ordinateur, a une attitude pessimiste à ce sujet :« Bien que j'aie inventé l'interface cerveau-ordinateur invasive, pour la plupart des patients et des entreprises commerciales, les interfaces cerveau-ordinateur non invasives constitueront le développement dominant dans les prochaines années. »
Les universités nationales et étrangères explorent les interfaces cerveau-ordinateur de diverses manières
Ces dernières années, outre les sociétés commerciales comme Neuralink, de nombreuses institutions de recherche scientifique et institutions universitaires nationales et étrangères ont également mené un grand nombre de recherches scientifiques et d'essais cliniques basés sur les interfaces cerveau-ordinateur dans le domaine médical.
Trois universités s'associent pour apprendre aux patients paralysés à taper avec leur « esprit »
En mai 2021, des scientifiques renommés de l’Université de Stanford, de l’Université Brown et de la Harvard Medical School ont développé conjointement une nouvelle technologie d’interface cerveau-ordinateur.Aidez les patients paralysés à convertir les pensées de leur esprit directement en texte sur un écran d'ordinateur à une vitesse de 90 caractères par minute, ce qui est à peine inférieur à la vitesse de frappe moyenne des personnes du même groupe d'âge utilisant des téléphones portables (115 caractères par minute).
Cette technologie implante des réseaux de micromoteurs dans le cerveau.La qualité d'acquisition et la richesse des signaux EEG sont garanties. Parmi eux, le réseau de micromoteurs ressemble à un échiquier. Lorsque l'utilisateur imagine les lettres à écrire, les électrodes implantées dans le cerveau peuvent capturer et mesurer les activités électriques de nombreux neurones, mettre en œuvre plus précisément les instructions détaillées du cerveau et répondre aux exigences de « frappe ».
Habituellement, après avoir supprimé le bruit du signal EEG collecté, le contenu « typé » doit être décodé. Les chercheurs ont utilisé des modèles d'IA pour apprendre la relation de cartographie entre l'activité neuronale et l'activité réelle des doigts d'écriture, ont utilisé des réseaux neuronaux récursifs pour apprendre les modèles d'activité neuronale générés par chaque lettre, ont analysé la relation entre ces modèles d'activité dans plusieurs expériences et ont utilisé la réduction de dimensionnalité pour générer des diagrammes de cluster. L'algorithme prédit ensuite la lettre que le participant imagine actuellement et convertit la prédiction en sortie imprimée. Enfin, le modèle de langage corrige les résultats de sortie initiaux pour garantir que le texte final présenté est plus précis.
Université Johns Hopkins : Utiliser une interface cerveau-ordinateur pour contrôler un bras robotique et manger du gâteau
En juin 2022, l’équipe de l’Université Johns Hopkins a implanté une puce.Un homme paralysé depuis plus de 30 ans a réussi à contrôler un bras robotique avec son esprit et a pu manger de manière autonome.Ce volontaire est le premier receveur d’implant bilatéral au monde, ce qui signifie que des réseaux d’électrodes sont implantés dans les hémisphères gauche et droit du cerveau.
Dans cette étude,Les chercheurs ont proposé une nouvelle approche : une stratégie de contrôle partagé.En considérant l'humain et les deux bras robotisés comme une combinaison homme-machine, les degrés de liberté à contrôler sont réduits de 34 à 12, et les autres degrés de liberté, tels que le mouvement des articulations et le pincement des doigts, sont résolus par l'algorithme de cinématique inverse. De plus, ces 12 degrés de liberté sont divisés dynamiquement. Dans chaque tâche spécifique, le système divisera les étapes d’exécution. Grâce au guidage vocal, les humains peuvent contrôler jusqu’à 3 d’entre eux en même temps, et la plupart du reste du travail est laissé à l’algorithme.
Au final, les participants ont réussi 17 des 20 tâches de test et ont pu ajuster avec précision le bras robotique selon leurs préférences, contrôler la taille de la coupe du gâteau et réaliser une manipulation fine grâce à une opération coordonnée à deux mains. Il convient de noter que la stratégie de contrôle partagé proposée dans cette étude peut réduire la difficulté de décodage de l’interface cerveau-ordinateur, ce qui peut également bénéficier à des solutions à faible coût avec moins d’électrodes implantées ou une précision moindre.
Université Tsinghua : Un patient tétraplégique depuis 14 ans boit de l'eau avec son esprit
En mars 2024, l’équipe du professeur Hong Bo de l’Université Tsinghua a publié une étude de cas.Un patient tétraplégique depuis 14 ans a subi une intervention chirurgicale d'implantation d'une interface cerveau-ordinateur sans fil mini-invasive. Après un entraînement post-opératoire, il a réussi à saisir une bouteille d'eau à l'aide d'un gant mécanique pneumatique en seulement un mois.
Dans ce cas,« Minimalement invasif » est le cœur du concept.L'ensemble du système et la machine interne, qui intègre plus de 300 composants, n'ont que la taille de deux pièces d'un yuan. De plus, la solution de l'équipe du professeur Hong Bo se situe entre invasive et non invasive, que l'on peut qualifier de « semi-invasive ». L'ensemble du dispositif d'interface cerveau-ordinateur est divisé en trois parties : les électrodes, la machine interne et la machine externe.
Dans un premier temps, l’équipe de recherche a utilisé l’imagerie par résonance magnétique pour localiser le cortex de perception motrice du patient et déterminer où placer les électrodes après la craniotomie. Ensuite, les électrodes de collecte des signaux sont placées à l’extérieur de la dure-mère entre le crâne et le cortex cérébral ; la machine interne responsable du traitement des signaux cérébraux et de la communication est enfouie à environ 6 à 10 mm dans le crâne ; la machine externe est fixée au cuir chevelu, recevant et transmettant des signaux EEG tout en fournissant de l'énergie à la machine interne.
Université du Zhejiang : « Écrire des caractères chinois avec son esprit » devient pour la première fois une réalité
En avril 2024, la branche des maladies neurologiques du Centre de recherche translationnelle clinique sur la régulation cerveau-machine de l'Université du Zhejiang a publié les derniers résultats de recherche sur l'écriture des caractères chinois contrôlée par le cerveau.
Un patient atteint de paraplégie élevée après un accident de voiture a écrit dans son esprit avec son esprit, et le bras robotique a pu écrire les huit mots « Interface cerveau-ordinateur de l'Université du Zhejiang » sur le tableau d'écriture, trait par trait.
En fait, l’écriture des caractères chinois contrôlée par le cerveau rencontre de nombreux défis dans la pratique. Tout d'abord, la structure des caractères chinois est complexe et il y a de nombreux détails auxquels il faut prêter attention en termes de radicaux, de radicaux, d'ordre des traits, etc. Il y a beaucoup de traits, beaucoup de caractères, et ils sont difficiles à classer, ce qui rend le décodage plus difficile. Deuxièmement, le principe de contrôle de l'extension et de la préhension du bras robotique dans les interfaces cerveau-ordinateur traditionnelles repose principalement sur l'analyse des mouvements articulaires importants, tandis que l'écriture des caractères chinois nécessite des mouvements plus délicats.
Au cours de l’expérience, les volontaires ont imaginé le processus d’écriture normal dans leur esprit, déclenchant ainsi une activité neuronale dans la zone motrice. Les chercheurs ont analysé les signaux neuronaux dans la zone motrice pour obtenir la trajectoire d’écriture imaginée par les sujets, puis ont contrôlé le bras robotique pour écrire. Cette nouvelle thérapie, qui extrait les ondes cérébrales des patients paralysés pour contrôler des dispositifs mécaniques externes afin d'écrire du texte et de répondre aux besoins de communication des patients, est cruciale pour les patients atteints de maladies telles que la SLA.
En fait, en plus de réaliser « l’écriture mentale », l’Université du Zhejiang a également lancé une série de recherches dans d’autres domaines des interfaces cerveau-ordinateur. En 2014, une équipe de l'Université du Zhejiang a implanté des microélectrodes d'électroencéphalogramme cortical (EEG) dans le cerveau humain et a utilisé la « puissance de l'esprit » pour contrôler un bras robotique afin d'effectuer les mouvements difficiles des doigts « pierre, ciseaux, papier », créant ainsi une « première en Chine » à l'époque.
En 2020, l'Université du Zhejiang a achevé la première recherche de traduction clinique sur l'interface cerveau-ordinateur implantable en Chine. Un patient complètement paralysé des quatre membres à la suite d'un accident de voiture s'est vu insérer un réseau de microélectrodes dans le cortex moteur de son cerveau. Après un entraînement systématique, il a pu utiliser un bras robotique pour effectuer des actions telles que serrer des mains, tenir des boissons, manger des bâtonnets de pâte frits et jouer au mahjong.
Sécurité et défis éthiques : quel est l’avenir des interfaces cerveau-ordinateur ?
Bien que les interfaces cerveau-ordinateur offrent des solutions plus créatives dans de nombreux domaines tels que la santé médicale, en même temps,Le développement rapide de cette technologie a également suscité de profondes inquiétudes au sein du public quant à la sécurité personnelle et à l’éthique de l’IA.
La première question est celle de la sécurité de la vie personnelle des sujets. Prenons l’exemple de Neuralink. Bien que l'opération d'implantation ne dure que 15 minutes et ne provoque que peu de traumatisme chez le receveur, les inconvénients de sa méthode invasive sont également importants et la sécurité après une craniotomie ne peut être garantie à long terme. De plus, le corps humain peut également produire une réponse immunitaire à l’implant, ce qui représente une menace potentielle pour la vie. Si les logiciels et le matériel concernés sont utilisés illégalement (par exemple, en saisissant des signaux malveillants ou en modifiant les seuils de signal), cela peut également provoquer une confusion cérébrale et, dans les cas graves, même mettre en danger la sécurité des personnes. Par conséquent, avant de procéder à des essais cliniques sur l’homme, la question de savoir comment réduire efficacement les risques pour la vie et la santé humaines est un problème difficile auquel sont confrontés les chercheurs concernés.
La deuxième question est celle de la vie privée et de la sécurité personnelle. La technologie d’interface cerveau-ordinateur utilise des équipements logiciels et matériels pour collecter et analyser directement les signaux bioélectriques du cerveau humain. Des informations privées telles que l’état de santé, les croyances et les caractéristiques psychologiques seront également obtenues par l’équipement. Les pensées de l'utilisateur sont presque entièrement exposées à la machine, formant un état presque « transparent », ce qui peut facilement provoquer la panique parmi les utilisateurs.
Ensuite, il y a les questions éthiques. En fait, depuis 2022, Neuralink suscite une grande controverse en raison d'expériences sur les animaux, et l'organisation américaine de protection des animaux PCRM a également accusé Neuralink d'abuser des singes. Comment continuer à garantir une attitude humanitaire lors des expériences ultérieures sur les animaux est une réponse que les humains doivent donner.
En outre, la recherche sur les interfaces cerveau-ordinateur doit respecter le droit des sujets à savoir et leur dignité personnelle. Les technologies clés, les indicateurs de performance et les méthodes d’acquisition des recherches connexes doivent être ouverts et transparents. Lorsqu’il s’agit de technologies potentiellement controversées, les opinions des parties prenantes et du public doivent être largement entendues. Il est également nécessaire de prévenir l’émergence de problèmes tels que les préjugés et la discrimination entre les publics de l’interface cerveau-ordinateur et les non-publics.
Finalement, lorsque le cerveau humain et l’intelligence artificielle seront profondément intégrés, qui sera le dominant ? Les humains contrôlent-ils les machines ou les machines prennent-elles le contrôle ? Si les humains font des erreurs ou commettent des crimes après avoir reçu une interface cerveau-ordinateur, qui en sera tenu responsable ? Peut-être qu’avant l’introduction d’une législation et d’une réglementation appropriées, ce sont là les problèmes difficiles qui doivent être surmontés lorsque les interfaces cerveau-ordinateur seront plus largement utilisées.
Références :
1.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/110136.htm
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9927342/
3.https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27136825
4.https://mp.weixin.qq.com/s/Fg98TfqSiCxFEKJJ0Y6asg