Des capteurs unidirectionnels ou des dispositifs de rétroaction implantés dans le cerveau peuvent être utilisés pour traiter diverses maladies comme l'épilepsie et la maladie d'Alzheimer, pour contrôler les prothèses de membre et les exosquelettes, pour recevoir des signaux de l'
œil bionique , et également pour remplir les fonctions du cerveau lui-même.
Au cours des trente dernières années, les scientifiques ont essayé de créer un appareil qui simule les processus se produisant dans l'hippocampe afin de restaurer la capacité des gens à créer de nouveaux souvenirs - à transférer des données de la mémoire à court terme vers le long terme. Dans un travail récent, une équipe de plusieurs universités américaines a amélioré les résultats de résolution des problèmes de mémorisation de 35 à 37%.
Voyons dans quelle mesure les chercheurs sont venus dans ce domaine et de qui devrions-nous attendre de nouvelles solutions à l'avenir.
Tiré du film "Johnny Mnemonic"Les implants cérébraux sont un classique de la science-fiction, on les trouve dans les films ("Johnny Mnemonic") et les livres ("Enclaves"). Souvent dans les fantasmes des écrivains et des scénaristes, ils sont conçus pour remplacer et étendre la mémoire, augmenter la capacité d'apprentissage et accéder au réseau. Dans les Enclaves, un processeur supplémentaire pourrait être inséré dans le port du crâne, augmentant la capacité du cerveau à plusieurs reprises.
Dans la vraie vie, il existe déjà des exemples d'implants cérébraux. Un des premiers appareils fonctionnant à l'intérieur du crâne pour obtenir des informations a été un
implant cochléaire pour compenser la perte auditive par une
perte auditive neurosensorielle : dans ce trouble, l'audition est perdue en raison de dommages à l'appareil de réception du son. Une neuroprothèse convertit les impulsions électriques d'un microphone externe en signaux compréhensibles par le système nerveux humain. La technologie est utilisée depuis les années 1960.
SourceLes prothèses oculaires fonctionnent selon un système similaire: les données de la caméra intégrée aux lunettes sont transmises à l'appareil principal, qui convertit l'image en un signal qui va aux électrodes attachées à la rétine ou implantées dans le cerveau. Tant que tous les appareils de cette zone vous permettent de voir uniquement les contours des objets, il n'est pas question de couleurs.
Une façon d'aider les patients atteints d'épilepsie est la surveillance invasive. Des électrodes sont implantées dans le cerveau des patients, ce qui aide les médecins à déterminer la zone d'apparition d'une crise d'épilepsie et sa propagation. La détermination précise de ces paramètres permet des mesures chirurgicales efficaces pour traiter le patient. Un autre domaine qui devrait aider les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer ou de dépression, dans lesquelles les médicaments affectent le cerveau, est celui des
implants pour l'injection directe du médicament dans le cerveau, qui travaillent au sein d'une équipe du Massachusetts Institute of Technology.
Il existe des expériences dans le domaine des maladies plus rares. L'un des premiers cyborgs,
Neil Harbisson , n'a pas vu de fleurs depuis son enfance à cause de l'
achromatopsie . Il a développé un appareil qui lui permet «d'entendre» la couleur.
Un autre domaine prometteur est l'amélioration de la mémoire. Les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement le fonctionnement du cerveau humain, mais ils sont déjà en mesure de restaurer certaines de ses fonctions - les appareils imitent littéralement son comportement, reconstruisant les signaux électriques reçus en stimulant les zones nécessaires dans la séquence correcte.
Theodore Berger de l'Université de Californie du Sud cherche depuis plus de 25 ans un moyen d'améliorer la mémoire humaine avec des dispositifs implantables cérébraux. Au début des années 2000, un groupe de scientifiques sous sa direction a créé l'une des premières prothèses
hippocampiques pour rongeurs expérimentaux. Cette zone du cerveau est responsable de la transition de la mémoire à court terme vers le long terme. Les symptômes de la forme de démence la plus courante - la maladie d'Alzheimer - comprennent un trouble de la mémoire à court terme, et l'un des premiers signes de la maladie est une diminution du volume de cette partie du cerveau.
En 2010, Berger a mené une série d'
expériences sur des rats avec des électrodes implantées qui ont capturé les régions CA3 et CA1 de l'hippocampe. Les rongeurs ont résolu les problèmes, se trouvant dans une chambre avec deux leviers cachés dans le mur. Vous avez d'abord dû appuyer sur le levier, puis il s'est rétracté dans le mur pendant un certain temps, et après que le rat a choisi l'un des deux leviers qui sont apparus. Pour obtenir de l'eau, le rongeur devait appuyer sur le levier de démarrage opposé, et s'il appuyait sur le même, le sujet était puni en éteignant la lumière. Le temps de résolution du problème est passé progressivement de 5 à 60 secondes. Les électrodes à ce moment-là ont enregistré les signaux des neurones lorsque le levier a été enfoncé.
Le "code" enregistré nous a permis de créer un modèle de stimulation pour améliorer les performances de cette tâche. Sur le graphique en bas à gauche de l'image, les résultats obtenus lors de la stimulation cérébrale à l'aide de ce modèle sont marqués en orange, et les résultats de contrôle enregistrés au stade précédent de l'expérience sont marqués en bleu. Dans ce cas, la stimulation n'a pas été effectuée au moment de deviner le levier, mais au moment de la première interaction avec lui - c'est-à-dire pour la mémorisation.
Ajout de signaux artificiels (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)En 2011, l'équipe Berger a
démontré la capacité d'activer et de désactiver la mémoire animale à l'aide de capteurs dans le cerveau du rat. À l'aide de drogues, les rongeurs ont bloqué la capacité de créer des souvenirs à long terme - ils ont bloqué le travail de la région CA3, puis l'ont restauré à l'aide d'électrodes. Les signaux artificiels qui recréent l'activité des neurones ont amélioré le pourcentage de réponses correctes.
Remplacement du signal hippocampique naturel par un signal artificiel (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)En 2017, des expériences ont commencé sur des personnes avec des électrodes implantées dans le cerveau. Vingt volontaires ont résolu les tâches de mémorisation. Tout d'abord, l'implant a enregistré des signaux neuronaux, puis a «aidé» la personne à se souvenir de la réponse à la tâche en raison de la stimulation cérébrale. Ensuite, la mémoire à court terme a été améliorée de 15%. Une nouvelle étude,
publiée le 28 mars 2018 , a porté ce chiffre à 35-37%. Depuis 2014, l'agence DARPA s'intéresse à la question de la récupération de la mémoire: elle a financé cette étude et octroie également des subventions pour des travaux de recherche dans le domaine de la création de capteurs implantables par rétroaction dans le cerveau.
Pour une nouvelle étude, une équipe de scientifiques du Wake Forest Baptist Medical Center et de l'Université de Californie du Sud ont recruté huit patients atteints d'épilepsie impliqués dans une procédure de cartographie diagnostique du cerveau. Des électrodes ont été installées dans différentes parties du cerveau des participants. L'étude visait
la mémoire épisodique , qui contient des informations utiles pour une courte période de temps - c'est avec elle que les principaux problèmes surviennent chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer, d'un accident vasculaire cérébral et de blessures à la tête.
Système d'électrodes pour la surveillance et la duplication de l'activité neuronale de l'hippocampeDans un test, les patients ont effectué des tâches sur des formes géométriques colorées tandis que les capteurs ont enregistré l'activité des neurones dans l'hippocampe. Après avoir vu le chiffre donné, ils ont dû le choisir parmi quatre ou cinq options. Stimuler le cerveau dans la séquence correcte a augmenté l'efficacité de résolution de ces problèmes de 37%. Le deuxième test consistait à deviner les photos une heure après leur présentation. Cette fois, la stimulation a amélioré les performances de 35%.
Dans la partie supérieure gauche de l'image marquée «Réel» se trouvent les signaux neuronaux enregistrés entre les régions hippocampiques appelées CA3 et CA1. C'est ce que les capteurs ont détecté lorsque les participants ont regardé les images données. Les scientifiques ont analysé les enregistrements enregistrés lors des réponses correctes, et les recréé en utilisant la rétroaction.
Source«Nous avons prouvé que nous pouvons entrer dans la mémoire du patient, enregistrer un signal et le renvoyer. Même dans les cas où la mémoire humaine est altérée, il est possible d'identifier les modèles de signaux neuronaux et de séparer les modèles corrects des mauvais signaux. Ensuite, nous pouvons aider le cerveau du patient à former de nouveaux souvenirs - non pas pour remplacer la fonction de mémoire elle-même, mais pour l'améliorer. Maintenant, nous essayons de déterminer dans quelle mesure il est possible d'améliorer la fonction de mémoire, mais à l'avenir, nous espérons aider les gens à enregistrer des souvenirs spécifiques - par exemple, où ils vivent, à quoi ressemblent leurs petits-enfants lorsque leur propre mémoire cesse de fonctionner », explique Robert Hampson, professeur de physiologie, Pharmacologie et neurologie Wake Forest Baptist Medical Center, l'un des auteurs de l'étude.
La startup KerNEL
travaille à la commercialisation de la technologie Berger. Le fondateur de l'entreprise, Brian Johnson, veut non seulement commencer à vendre des dispositifs de récupération de mémoire, mais également créer de nouveaux implants pour améliorer l'attention et la créativité humaines, c'est-à-dire aller au-delà de l'utilisation médicale des appareils. Dans ce cas, les appareils ont la possibilité de se soustraire à la nécessité d'obéir à toutes les exigences en matière d'équipement médical et de se tenir au même niveau que les bracelets de fitness.
Johnson a de l'argent pour le projet grâce à la vente de PayPal pour 800 millions de dollars en 2013. Une autre personne associée à ce projet, Ilon Musk, a
enregistré Neuralink en 2016 et a embauché des personnes liées à la recherche sur le cerveau. À court terme, Musk veut produire des appareils pour traiter diverses maladies du cerveau, mais à l'avenir, comme Johnson, il veut améliorer les gens. Y compris - en leur donnant des capacités télépathiques. En mars 2018, il est devenu connu que la société Mask avait
reçu l' autorisation d'expérimenter avec des animaux à San Francisco. Neurlalink continue de rechercher des spécialistes dans l'équipe -
le site contient des offres d'emploi pour des ingénieurs dans le domaine de la robotique, de la microélectronique, des développeurs de logiciels et autres. L'une des principales exigences est le désir de surmonter de grands défis.
Au cours des deux dernières années, DARPA a travaillé sur la création 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» . Il existe des exemples intéressants d'électrodes élastiques, comme un
appareil développé par des scientifiques de l'Université de Linkoping (Suède): sur sa base, des chercheurs de l'Université de Lund en Suède ont développé une
solution qui peut stocker et traiter les données de plus d'un million de neurones en temps réel et fournir des commentaires à une vitesse de 25 millisecondes.
La poursuite du développement de matériel et de solutions de traitement nous permettra de transférer une partie de la recherche sur le cerveau dans le domaine des logiciels. Pour augmenter l'efficacité, la standardisation de tous les éléments des systèmes de neuro-ordinateurs est nécessaire. Mais pour l'instant, c'est de la science-fiction.