Des chercheurs de l'Université de Lund en Suède ont développé et testé une
nouvelle solution pour le traitement et le stockage de grandes quantités de données attendues des futures interfaces de micro-ordinateurs implantables. Le système recevra simultanément des données de plus d'un million de neurones en temps réel. Après la conversion des données, ils seront envoyés pour traitement et stockage sur des ordinateurs ordinaires. Le système fournira une rétroaction avec une vitesse allant jusqu'à 25 millisecondes, stimulant jusqu'à 100 000 neurones.
La nouvelle technologie peut être utilisée pour surveiller le cerveau des patients paralysés, y compris le suivi des signes d'épilepsie, et pour une rétroaction en temps réel pour contrôler les mains robotiques des patients paralysés.
Aujourd'hui, les avancées techniques et neurobiologiques dans le domaine des interfaces cerveau-ordinateur imposent des exigences croissantes aux bases de données et aux logiciels pour leur traitement, notamment lorsqu'il s'agit de travailler avec des données en temps réel reçues d'un grand nombre de neurones. Afin de faire face à ce problème, les scientifiques ont créé une architecture logicielle évolutive pour l'enregistrement parallèle et le traitement des données à l'aide d'ordinateurs standard. L'architecture a montré la capacité de gérer des informations en temps réel et de fournir une réponse réactive avec une vitesse inférieure à 25 millisecondes. Les chercheurs sont convaincus que leurs développements seront adaptés pour travailler avec les interfaces de neuro-ordinateurs existantes et futures.
"Un avantage significatif de l'architecture et du format de données est que les informations ne nécessitent pas de traduction ultérieure, car les signaux cérébraux sont traduits directement en code", ont déclaré les chercheurs. Grâce à cette approche, un ordinateur ordinaire peut travailler avec des données et la vitesse de traitement est si élevée.
L'outil de surveillance en temps réel de vastes zones du cerveau peut être utilisé pour la recherche, le diagnostic et le traitement. Il devrait être particulièrement efficace pour les futures interfaces de micro-ordinateurs implantables avec rétroaction, ce qui aidera à surveiller de grandes zones dans le cerveau des patients paralysés, à suivre les signes naissants d'épilepsie et à contrôler les bras robotiques paralysés.
Le système est conçu pour enregistrer les signaux neuronaux des électrodes implantées. Voici un exemple d'un tel appareil, une électrode élastique biocompatible
développée par des scientifiques de l'Université de Linkoping (Suède), qui possède un réseau de 32 contacts métalliques ouverts qui, après implantation, entrent en contact avec le tissu cérébral.
Voici un schéma du système. L'horloge principale (a) est synchronisée avec les dispositifs récepteurs (b), qui organisent le
tri des pointes - enregistrez et classifiez l'activité électrique des neurones reçus du sujet (représentée comme le museau d'une souris) (e), ainsi que la compression des données. Les informations sont encodées dans une grille de données de créneau horaire. Au format HDF5, cette grille est envoyée pour stockage (d et f). Les deux derniers points sont juste prévus.
Les solutions existantes pour l'enregistrement de l'activité cérébrale sont limitées de 512 à 1024 canaux, ce qui rend difficile leur traitement et leur stockage sur des ordinateurs personnels. Le nombre maximum de chaînes par sujet était de 1792, l'indicateur continuera de croître. La DARPA travaille dans ce sens: en 2016, l'agence a
lancé un programme de développement d'interfaces neuronales implantables pour obtenir "une résolution de signal et une bande passante sans précédent pour la transmission d'informations entre le cerveau humain et les systèmes électroniques". L'interface devrait agir comme un "traducteur" entre l'électrochimie des neurones et le code disponible pour le traitement par ordinateur. Dans le cadre du programme Neural Engineering System Design (NESD, "Design of Neuroengineering Systems"), l'agence prévoit une modernisation des instruments, notamment pour compenser la vision et l'ouïe des patients: par exemple, les informations visuelles devront être transmises numériquement au cerveau.
La prochaine étape a été la conclusion par la DARPA en 2017 de
contrats pour la création d'implants cérébraux haute résolution avec cinq organismes de recherche et une société commerciale. Chacun des canaux combine des informations provenant de dizaines de milliers de neurones, ce qui donne une image floue et bruyante avec une faible résolution. Le programme NESD est conçu pour surmonter cet obstacle.