Le nouveau programme de recherche DARPA développe une interface cerveau-ordinateur avec laquelle il sera possible de "contrôler des essaims de drones, en travaillant à la vitesse de la pensée". Et si ça marche?
En août, trois étudiants diplômés de l'Université Carnegie Mellon se sont entassés dans un minuscule laboratoire sous-sol sans fenêtre pour utiliser une configuration impromptue assemblée à partir d'une imprimante 3D pour choquer une tranche du cerveau de la souris.
Ce morceau de cerveau taillé dans l'
hippocampe était comme une fine tranche d'ail. Il reposait sur une plate-forme située plus près du centre de l'appareil. Un mince tube a lavé la tranche avec une solution de sel, de glucose et d'acides aminés. Ainsi, il a été maintenu dans un état quelque peu similaire à la vie: les neurones à l'intérieur de lui ont continué d'être activés, permettant aux expérimentateurs de collecter des données. Un réseau d'électrodes situé en dessous a émis des décharges électriques et une sonde métallique, semblable à une seringue, a mesuré la réponse des neurones. Des lampes LED lumineuses illuminaient la tasse. Tout semblait rassemblé sur son genou.
Sur le moniteur à côté de l'appareil, des stimuli et une réponse étaient visibles: quelques millisecondes après les impulsions électriques, les neurones étaient activés. Plus tard, les expérimentateurs ont mis un matériau similaire en conductivité et en transparence aux os du crâne entre un morceau de tissu et des électrodes pour savoir s'ils peuvent stimuler l'hippocampe de la souris en imitant le crâne.
Ils l'ont fait parce qu'ils voulaient reconnaître et contrôler les signaux du cerveau humain sans avoir à couper le crâne et à toucher le tissu cérébral délicat. Leur objectif est de développer des
interfaces cerveau-ordinateur précises et sensibles qui peuvent être retirées et enfilées comme un casque ou un bandeau - sans aucune intervention chirurgicale.
L'épaisseur des os du crâne humain est inférieure à un centimètre. Les nombres exacts varient d'une personne à l'autre, ainsi que d'un endroit à l'autre. Ils brouillent les formes d'onde, qu'il s'agisse de courant électrique, de lumière ou de son. Les neurones cérébraux peuvent être aussi petits que quelques millièmes de millimètres et générer des impulsions électriques avec une tension de vingt ans.
Dans les expériences des étudiants diplômés, il était censé collecter des données de base qui pourraient être comparées aux résultats de l'application de la nouvelle technologie, que Pulkit Grover, le consultant scientifique en chef de l'équipe, espère développer.
"Jusqu'à présent, il est impossible de le faire, et c'est une tâche très difficile", explique Grover. Il dirige l'une des six équipes participant au programme de neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération, ou N
3 , un projet de 104 millions de dollars lancé cette année par la DARPA. L'équipe de Grover travaille avec l'électricité et les ultrasons; d'autres équipes utilisent des aimants ou des optiques. Et si l'un d'eux réussit, les résultats seront révolutionnaires.
La chirurgie coûte cher et l'intervention chirurgicale pour créer un super-soldat est également éthiquement difficile. Un appareil pour lire les pensées qui ne nécessite pas d'intervention chirurgicale ouvrira un grand nombre de possibilités. Les interfaces de neuro-ordinateurs (INQ) ont été utilisées pour rendre aux personnes paralysées un contrôle partiel sur le corps et permettre aux vétérans de guerre en Irak et en Afghanistan qui ont perdu des membres de contrôler les membres artificiels. Le N
3 est la première tentative sérieuse de l'armée américaine de développer le NKI pour une utilisation plus agressive. "Travailler avec des drones individuels et leurs packs, à la vitesse de la pensée, et non à la vitesse des appareils mécaniques - c'est pourquoi ces appareils sont vraiment nécessaires", explique Al Emondi, directeur du programme N
3 .
Spécialiste en informatique à l'Université de Californie à Los Angeles, Jacques J. Vidal a utilisé pour la première fois le terme interface cerveau-ordinateur au début des années 1970; et il s'est avéré qu'il s'agissait d'une de ces expressions, comme «intelligence artificielle», dont la définition évolue parallèlement au développement des capacités qu'elle décrit. L'électroencéphalographie (EEG), qui enregistre l'activité cérébrale à l'aide d'électrodes placées sur le crâne, peut être considérée comme la première interface entre le cerveau et l'ordinateur. Vers la fin des années 1990, des chercheurs de l'Université Keyes de la Western Reserve Region ont utilisé l'EEG pour interpréter les ondes cérébrales d'une personne paralysée, ce qui lui a permis de déplacer le curseur sur un ordinateur à l'aide d'électrodes connectées à son crâne.
Depuis lors, des technologies de lecture des signaux du cerveau des deux types, invasifs et non invasifs, ont été activement développées. Des dispositifs sont également en cours de développement qui stimulent le cerveau avec des signaux électriques pour traiter des maladies telles que l'épilepsie. Le mécanisme le plus puissant à ce jour est le réseau de microélectrodes, connu sous le nom de réseau Utah. Il ressemble à un petit lit avec des ongles de la taille d'un demi-ongle sur l'auriculaire, capable de pénétrer dans une partie donnée du cerveau.
Une fois, en 2010, alors qu'il était en vacances à Outer Banks - une bande d'îles étroites de barrière de sable au large des côtes de la Caroline du Nord - Ian Burkhart s'est plongé dans l'océan et s'est cogné la tête sur un banc de sable. Il a endommagé sa moelle épinière et perdu des fonctions du sixième nerf cervical et en dessous. Il pouvait bouger ses épaules et ses coudes, mais pas avec ses mains et ses pieds. La physiothérapie n'a pas beaucoup aidé. Il a demandé aux médecins du Wexner Medical Center de l'Ohio University s'ils pouvaient faire autre chose. Il s'est avéré que Wexner voulait mener une étude avec la société de recherche à but non lucratif Battelle pour découvrir si la mobilité pouvait être rétablie dans les membres du paralytique en utilisant le massif de l'Utah.
Si l'EEG montre l'activité totale d'innombrables neurones, les réseaux d'Utah peuvent enregistrer des impulsions provenant d'un petit nombre d'entre eux, ou même d'un neurone. En 2014, les médecins ont implanté la matrice Utah dans la tête de Burkhart. Le réseau a mesuré le champ électrique à 96 points de son cortex moteur 30 000 fois par seconde. Burkhart a visité le laboratoire plusieurs fois par semaine pendant plus d'un an, et les chercheurs de Battelle ont formé des algorithmes de traitement du signal pour percevoir ses intentions, alors qu'il réfléchissait systématiquement et intensément à la façon dont il voulait bouger sa main.
Un câble épais connecté à une plate-forme sur le crâne de Burkhart a envoyé les impulsions mesurées par le réseau de l'Utah à un ordinateur. L'ordinateur les a décryptés et a transmis les signaux à une manche remplie d'électrodes et couvrant son avant-bras droit. La manche activait ses muscles pour effectuer le mouvement souhaité - saisir, soulever une charge, vider une bouteille ou retirer une carte d'un portefeuille.
Cela a fait de Burkhart l'une des premières personnes à reprendre le contrôle musculaire grâce à un «pontage neuronal». Maintenant, Battelle, qui participe également au programme N
3 , travaille avec lui, essayant de savoir s'il est possible d'obtenir les mêmes résultats sans implants dans le crâne.
La question n'est pas seulement dans la création de nouveaux appareils, mais aussi dans le développement de techniques de traitement du signal de meilleure qualité, capables de reconnaître des signaux faibles et étouffés perçus depuis la partie externe du crâne. Par conséquent, l'équipe Carnegie Mellon est dirigée par Grover, un ingénieur électricien, pas un neuroscientifique.
Peu de temps après l'arrivée de Grover au Carnegie Mellon Institute, son ami de la faculté de médecine de l'Université de Pittsburgh l'a invité à participer à des réunions cliniques avec des patients atteints d'épilepsie. Il a commencé à soupçonner que beaucoup plus d'informations peuvent être extraites de l'EEG que tout le monde ne le pensait auparavant - et, par conséquent, des manipulations ingénieuses des signaux externes peuvent affecter les couches plus profondes du cerveau. Quelques années plus tard, une équipe dirigée par Edward Boyden du Center for Neurobiological Engineering du MIT a publié un article remarquable qui va bien au-delà de l'hypothèse initiale de Grover.
Le groupe de Boyden a appliqué deux signaux électriques de fréquences élevées, mais légèrement différentes, à la partie externe du crâne. Ils ont influencé le travail des neurones, mais pas ceux situés à la surface du cerveau, mais ceux qui étaient situés plus profondément. Dans le cadre d'un phénomène appelé interférence constructive, ils ont reçu un signal d'une fréquence inférieure, stimulant l'activation des neurones.
Grover et son équipe travaillent actuellement à l'expansion des résultats de Boyden, en utilisant des centaines d'électrodes situées à la surface du crâne pour cibler avec précision de petites zones des régions internes du cerveau et contrôler le signal, en le commutant d'une partie du cerveau à une autre sans déplacer les électrodes. Grover dit qu'une telle idée n'aurait guère eu lieu pour les neuroscientifiques.
Pendant ce temps, au laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins (APL), une autre équipe du projet N
3 utilise une approche complètement différente: proche de la lumière infrarouge.
Selon les concepts modernes, le tissu nerveux gonfle et se contracte lorsque les neurones émettent des signaux électriques. Les scientifiques enregistrent également ces signaux en utilisant l'EEG, le réseau de l'Utah ou d'autres technologies. APL Dave Blodget affirme que le gonflement et la contraction des tissus ne sont peut-être pas le pire signal de qualité, et souhaite créer un système optique qui mesure ces changements.
Les technologies passées ne pouvaient pas capturer de tels mouvements physiques minuscules. Mais Blodget et l'équipe ont déjà montré qu'ils sont capables d'enregistrer l'activité nerveuse de la souris lorsqu'elle déplace l'une des antennes. Dix millisecondes après le mouvement des antennes, Blodget a enregistré l'activation des neurones correspondants en utilisant sa technologie optique. Et dans le tissu nerveux exposé, son équipe a enregistré l'activité des neurones en 10 microsecondes - à la même vitesse que le réseau de l'Utah ou d'autres méthodes électriques.
La prochaine tâche à résoudre sera l'enregistrement à travers les os du crâne. Cela ressemble à quelque chose d'impossible: après tout, le crâne est opaque à la lumière visible. Cependant, une lumière proche de l'infrarouge peut traverser les os. L'équipe Blodgett scanne le crâne avec des lasers infrarouges à basse énergie et mesure la diffusion de la lumière de ces lasers. Il espère que cela permettra d'extraire des informations sur l'activité des neurones. Cette approche a moins de preuves que l'utilisation de signaux électriques, mais c'est précisément sur ces risques que les programmes DARPA sont conçus.
À Battelle, Gaurav Sharma développe un nouveau type de nanoparticule capable de pénétrer la
barrière hémato-encéphalique . Cette technologie est appelée mini-invasive dans DARPA. Dans les nanoparticules, un noyau sensible aux champs magnétiques est entouré d'une coque d'un matériau qui génère de l'électricité sous pression. Si ces nanoparticules sont placées dans un champ magnétique, alors le noyau de la particule pressera sur la coquille, ce qui produira un petit courant. Un champ magnétique est beaucoup mieux adapté pour briller à travers le crâne que la lumière, explique Sharma. Différentes bobines magnétiques permettent aux scientifiques de cibler certaines parties du cerveau, et ce processus peut être inversé - convertir les courants électriques en champs magnétiques en lisant le signal.
On ne sait pas encore laquelle de ces approches réussira et si. D'autres équipes de N
3 utilisent diverses combinaisons d'ondes lumineuses, électriques, magnétiques et ultrasoniques pour transmettre des signaux au cerveau et les lire de l'extérieur. Tout cela, sans aucun doute, est très intéressant. Cependant, pour tous ces enthousiasmes, il ne faut pas oublier la gravité de la situation au Pentagone et dans des sociétés comme Facebook (qui développe également le NCI), avec un grand nombre de problèmes éthiques, juridiques et sociaux que soulève le NCI non invasif. Comment les troupeaux de drones contrôlés par le cerveau humain changent-ils la nature des guerres? Emondi, chapitre
3 , dit que les NKI seront utilisés au besoin. Cependant, la nécessité militaire est un concept vague.
En août, j'ai visité le laboratoire de Battelle, où Burkhart a travaillé pendant plusieurs heures avec une nouvelle manche équipée de 150 électrodes qui stimulent les muscles du bras. Lui et les chercheurs espéraient qu'ils pourraient faire fonctionner la manche sans se fier à la gamme de signaux cérébraux de l'Utah.
Ian Burkhart et chercheur
Utah ArrayAvec des dommages à la moelle épinière, il est très difficile de penser au mouvement des bras. Burkhart était fatigué. «Tout fonctionne par étapes - plus je pense que plus je suis actif, plus le mouvement est fort», m'a-t-il dit. - Avant, je n'avais pas à penser "ouvrir la main" - je viens de prendre et de lever la bouteille. Mais je suis très motivé par le résultat - plus que tout le monde. » Grâce à lui, il est facile de voir le potentiel de cette technologie.
Il a dit que depuis le début des travaux avec le massif de l'Utah, il est devenu plus puissant et agile, même dans les périodes où il ne l'utilise pas. Il peut déjà vivre presque seul et n'a besoin d'aide que quelques heures par jour. «Je peux parler plus avec mes mains. «Je peux tenir le téléphone», dit-il. «Si ce projet déborde sur quelque chose qui peut être utilisé quotidiennement, je le porterai aussi longtemps que possible.»