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Des implants dans le cerveau d'un humain lui permettent de contrôler des ordinateurs avec son esprit,
à la suite d'un accident qui l'a paralysé

Le , par Bruno

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Il y a 16 ans, Dennis DeGray a été paralysé dans un accident. Aujourd'hui, des implants dans son cerveau lui permettent d'avoir un semblant de contrôle. Le soir du 10 octobre 2006, l'esprit de Dennis DeGray était presque coupé de son corps. Après une journée de pêche, il rentre chez lui à Pacific Grove, en Californie, et se rend compte qu'il n'a pas encore sorti les poubelles ni le recyclage. Il pleuvait assez fort, alors il a décidé de sprinter du seuil de sa porte jusqu'aux poubelles à l'extérieur, un sac dans chaque main. En courant, il a glissé sur une plaque de moisissure noire sous des chênes, a atterri durement sur le menton et s'est brisé le cou entre la deuxième et la troisième vertèbre. Voici, ci-dessous, le récit des événements qui ont permis de parvenir aux implants dans son cerveau.

Pendant sa convalescence, DeGray, qui avait 53 ans à l'époque, a appris de ses médecins qu'il était paralysé de façon permanente à partir des clavicules. À l'exception de spasmes vestigiaux, il ne peut pas bouger son torse ou ses membres. « Je suis à peu près aussi blessé qu'on peut l'être sans être sous respirateur, m'a-t-il dit. Pendant plusieurs années après son accident, il s'est contenté de rester allongé, en regardant la chaîne Histoire », alors qu'il s'efforçait d'accepter la réalité de sa blessure.


Quelque temps plus tard, lors d'une collecte de fonds pour la recherche sur les cellules souches, il a rencontré Jaimie Henderson, professeur de neurochirurgie à l'université de Stanford. Les deux hommes se sont mis à parler de robots, un sujet qui intéressait depuis longtemps DeGray, qui a grandi autour de l'atelier d'usinage de sa famille. Comme DeGray s'en souvient, Henderson l'a captivé avec une seule question : voulez-vous piloter un drone ?

Henderson lui a expliqué que lui et ses collègues avaient mis au point une interface cerveau-ordinateur : une connexion expérimentale entre le cerveau d'une personne et un dispositif externe, tel qu'un ordinateur, un membre robotique ou un drone, que la personne pourrait contrôler simplement par la pensée. DeGray était impatient de participer, et a fini par déménager à Menlo Park pour se rapprocher de Stanford en attendant une ouverture dans l'étude et les autorisations nécessaires.

Au cours de l'été 2016, Henderson a ouvert le crâne de DeGray et exposé son cortex - la fine couche extérieure du cerveau, plissée - dans lequel il a implanté deux réseaux d'électrodes de 4 millimètres sur 4 millimètres ressemblant à des lits de clous miniatures. Chaque réseau comportait 100 minuscules pointes métalliques qui, collectivement, enregistraient les impulsions électriques circulant dans quelques centaines de neurones du cortex moteur, une région du cerveau impliquée dans les mouvements volontaires.

Après une période de récupération, plusieurs collaborateurs d'Henderson se sont réunis au domicile de DeGray et l'ont placé devant un écran d'ordinateur affichant un anneau de huit points blancs de la taille d'une pièce de 25 cents, qui devenaient tour à tour orange. La tâche de DeGray consistait à déplacer un curseur vers le point lumineux par la seule force de sa pensée. Les scientifiques ont attaché des câbles à des socles métalliques dépassant de la tête de DeGray, qui transmettaient les signaux électriques enregistrés dans son cerveau à un décodeur : un réseau voisin d'ordinateurs exécutant des algorithmes d'apprentissage automatique.

Ces algorithmes ont été conçus par David Brandman, à l'époque doctorant en neurosciences, qui collaborait avec l'équipe de Stanford dans le cadre d'un consortium appelé BrainGate. Il les a conçus pour associer rapidement différents modèles d'activité neuronale à différents mouvements de la main et pour se mettre à jour toutes les deux ou trois secondes, devenant en théorie plus précis à chaque fois. Si les neurones du crâne de DeGray étaient comme les notes d'un piano, alors ses intentions distinctes étaient analogues à des compositions musicales uniques. Une tentative de lever sa main coïnciderait avec une mélodie neuronale, par exemple, tandis qu'une tentative de déplacer sa main vers la droite correspondrait à une autre. Lorsque le décodeur a appris à identifier les mouvements voulus par DeGray, il a envoyé des commandes pour déplacer le curseur dans la direction correspondante.

Brandman a demandé à DeGray d'imaginer un mouvement qui lui donnerait un contrôle intuitif du curseur. Fixant l'écran de l'ordinateur, cherchant dans son esprit une façon de commencer, DeGray s'est souvenu d'une scène du film "Ghost" dans laquelle le défunt Sam Wheat (joué par Patrick Swayze) fait invisiblement glisser un penny le long d'une porte pour prouver à sa petite amie qu'il existe toujours sous une forme spectrale. DeGray s'est imaginé en train de pousser le curseur avec son doigt comme s'il s'agissait du penny, le poussant vers la cible. Bien qu'il soit physiquement incapable de bouger sa main, il a essayé de le faire de toutes ses forces. Brandman était ravi de voir le décodeur fonctionner aussi rapidement qu'il l'avait espéré. En 37 secondes, DeGray a pris le contrôle du curseur et a atteint le premier point lumineux. En quelques minutes, il a atteint des dizaines de cibles à la suite.

Seules quelques dizaines de personnes sur la planète ont eu des interfaces neuronales intégrées dans leur tissu cortical dans le cadre de recherches cliniques à long terme. DeGray est aujourd'hui l'un des plus expérimentés et des plus dévoués d'entre eux. Depuis cet essai initial, il a passé plus de 1 800 heures, soit près de 400 séances d'entraînement, à contrôler par la pensée diverses formes de technologie. Il a joué à un jeu vidéo, manipulé un membre robotique, envoyé des messages texte et des courriels, acheté des produits sur Amazon et même piloté un drone - juste un simulateur, pour l'instant - le tout sans lever le petit doigt. Ensemble, DeGray et d'autres volontaires explorent les frontières d'une technologie susceptible de modifier fondamentalement la façon dont les humains et les machines interagissent.

Les scientifiques et les ingénieurs créent et étudient des interfaces cerveau-ordinateur depuis les années 1950. Compte tenu de l'ampleur du mystère qui entoure le comportement du cerveau - notamment la façon dont la conscience émerge d'un poids de gelée électrique, les réalisations globales de ces systèmes sont remarquables. Des personnes paralysées équipées d'interfaces neuronales ont appris à jouer des airs simples sur un clavier numérique, à contrôler des exosquelettes et à manœuvrer des membres robotisés avec suffisamment de dextérité pour boire dans une bouteille. En mars, une équipe internationale de scientifiques a publié une étude montrant pour la première fois qu'une personne atteinte d'une paralysie totale du corps a utilisé une interface cerveau-ordinateur pour exprimer ses désirs et ses besoins en formant des phrases, lettre par lettre.

Les interfaces neuronales peuvent également créer des voies de communication bidirectionnelles entre le cerveau et la machine. En 2016, Nathan Copeland, paralysé de la poitrine à la suite d'un accident de voiture, a non seulement tapé du poing le président Barack Obama avec une main robotisée, mais il a également ressenti la sensation tactile de la bosse dans sa propre main, car la prothèse renvoyait des signaux à des électrodes dans son cerveau, stimulant son cortex sensoriel. En combinant la technologie d'imagerie cérébrale et les réseaux neuronaux, les scientifiques ont également déchiffré et partiellement reconstruit des images de l'esprit des gens, produisant des imitations brumeuses qui ressemblent à des polaroïds vieillis ou à des peintures à l'huile maculées.


La plupart des chercheurs qui développent des interfaces cerveau-ordinateur affirment qu'ils s'intéressent avant tout aux applications thérapeutiques, c'est-à-dire au rétablissement du mouvement et de la communication chez les personnes paralysées ou autrement handicapées. Pourtant, le potentiel évident de cette technologie et le nombre croissant de start-up de premier plan qui la développent laissent entrevoir la possibilité d'une adoption beaucoup plus large : un avenir dans lequel les interfaces neuronales améliorent réellement les capacités innées des gens et leur en accordent de nouvelles, en plus de restaurer celles qui ont été perdues.

Dans l'histoire de la vie sur Terre, nous n'avons jamais rencontré d'esprit sans corps. Une cognition très complexe a toujours été située dans un cadre physique complexe, qu'il s'agisse de huit bras à ventouses, de quatre membres en fourrure ou d'un paquet de plumes et de becs. La technologie humaine amplifie souvent les capacités inhérentes du corps ou étend l'esprit à l'environnement par le biais du corps. L'art et l'écriture, l'agriculture et l'ingénierie : toutes les innovations humaines dépendent de la capacité du corps à manipuler physiquement les outils conçus par l'esprit, et sont donc limitées par cette capacité. Si les interfaces cerveau-ordinateur tiennent leurs promesses, la conséquence la plus profonde sera peut-être la suivante : notre espèce pourrait transcender ces contraintes, en contournant le corps par une nouvelle fusion de l'esprit et de la machine.

Un matin de printemps 1893, lors d'un exercice d'entraînement militaire à Würzburg, en Allemagne, Hans Berger, 19 ans, est jeté de son cheval et presque écrasé à mort par la roue d'un canon d'artillerie. Le matin même, sa sœur, située à 60 miles de là, à Cobourg, est envahie par un pressentiment et persuade son père d'envoyer un télégramme pour s'enquérir du bien-être de son frère. Cette prémonition apparemment télépathique a obsédé Berger et l'a poussé à étudier les mystères de l'esprit. Ses efforts ont culminé dans les années 1920 avec l'invention de l'électroencéphalographie (EEG) : une méthode d'enregistrement de l'activité électrique du cerveau à l'aide d'électrodes fixées sur le cuir chevelu. Les motifs oscillants produits par son appareil, qui rappellent le scribouillage d'un sismographe, ont été les premières transcriptions du bavardage cellulaire du cerveau humain.

Au cours des décennies suivantes, les scientifiques ont appris de nouvelles façons d'enregistrer, de manipuler et de canaliser les signaux électriques du cerveau, construisant des ponts toujours plus élaborés entre l'esprit et la machine. En 1964, José Manuel Rodríguez Delgado, un neurophysiologiste espagnol, a arrêté un taureau en train de charger à l'aide d'électrodes radiocommandées intégrées dans le cerveau de l'animal. Dans les années 1970, le professeur Jacques Vidal, de l'université de Californie à Los Angeles, a inventé le terme d'interface cerveau-ordinateur et a démontré que des personnes pouvaient guider mentalement un curseur dans un labyrinthe virtuel simple.

Au début des années 2000, le neuroscientifique Miguel Nicolelis de l'université de Duke et ses collaborateurs ont publié des études démontrant que des singes auxquels on avait implanté des interfaces neuronales pouvaient contrôler des prothèses robotiques par la pensée. En 2004, Matt Nagle, qui était paralysé des épaules aux pieds, est devenu le premier humain à faire de même. Il a ensuite appris à utiliser ses seules pensées pour jouer au Pong, changer de chaîne sur un téléviseur, ouvrir des courriels et dessiner un cercle sur un écran d'ordinateur.

Depuis lors, le rythme des réalisations dans le domaine des interfaces cerveau-ordinateur s'est considérablement accéléré, notamment grâce au développement rapide de l'intelligence artificielle. Les logiciels d'apprentissage automatique ont considérablement amélioré l'efficacité et la précision des interfaces neuronales en automatisant une partie des calculs nécessaires et en anticipant les intentions des utilisateurs humains, un peu comme le texte prédictif de votre téléphone ou de votre courrier électronique est désormais assisté par l'IA.

L'année dernière, le neurochirurgien Edward Chang, de l'université de Californie à San Francisco, et une douzaine de collaborateurs ont publié une étude historique décrivant comment une interface neuronale a permis à un homme paralysé de 36 ans de retrouver la parole pour la première fois depuis plus de 15 ans. À la suite d'un accident de voiture et d'une grave attaque cérébrale à l'âge de 20 ans, l'homme, connu sous le nom de Pancho, a perdu la capacité de produire une parole intelligible. Sur une période d'environ 20 mois, 128 électrodes en forme de disque placées sur le cortex sensorimoteur de Pancho ont enregistré l'activité électrique des régions du cerveau impliquées dans le traitement de la parole et le contrôle des voies vocales lorsqu'il tentait de prononcer des mots à haute voix.

Un décodeur a associé différents schémas d'activité neuronale à différents mots et, avec l'aide d'algorithmes de prédiction du langage, a finalement appris à déchiffrer 15 mots par minute avec une précision de 75 % en moyenne. Bien qu'il ne s'agisse que d'une fraction du débit de la parole typique en anglais (140 à 200 mots par minute), c'est considérablement plus rapide que de nombreuses méthodes de communication de type pointer-cliquer dont disposent les personnes gravement paralysées.

Dans une autre étude révolutionnaire publiée l'année dernière, Jaimie Henderson et plusieurs collègues, dont Francis Willett, ingénieur biomédical, et Krishna Shenoy, ingénieur électricien, ont fait état d'une approche tout aussi impressionnante, mais entièrement différente de la communication par interface neuronale. Les scientifiques ont enregistré le déclenchement de neurones dans le cerveau de Dennis DeGray alors qu'il se visualisait en train d'écrire des mots avec un stylo sur un bloc-notes, en essayant de recréer les mouvements distincts de la main nécessaires pour chaque lettre. Il a écrit mentalement des milliers de mots afin que le système puisse reconnaître de manière fiable les schémas uniques d'activité neuronale propres à chaque lettre et afficher les mots sur un écran. « Au bout d'un moment, on apprend vraiment à détester les "m" a-t-il dit avec la bonne humeur qui le caractérise. »

En fin de compte, la méthode s'est avérée extrêmement efficace. DeGray a pu taper jusqu'à 90 caractères ou 18 mots par minute, soit deux fois plus vite que ses efforts précédents avec un curseur et un clavier virtuel. Il est le dactylographe mental le plus rapide du monde. « Parfois, je vais tellement vite que tout devient flou », a-t-il déclaré. « Ma concentration atteint un point tel qu'il n'est pas rare qu'on me rappelle de respirer ».

À ce jour, les réalisations en matière d'interfaces cerveau-ordinateur reposent sur un mélange de technologies invasives et non invasives. De nombreux scientifiques dans ce domaine, y compris ceux qui travaillent avec DeGray, s'appuient sur un réseau d'électrodes en forme de pointes, intégré par voie chirurgicale, produit par une société de l'Utah, Blackrock Neurotech. Le réseau de l'Utah, comme on l'appelle, peut différencier les signaux des neurones individuels, ce qui permet un contrôle plus fin des appareils connectés, mais la chirurgie qu'il nécessite peut entraîner une infection, une inflammation et une cicatrisation, ce qui peut contribuer à une éventuelle dégradation de la force du signal. Les interfaces qui se trouvent à l'extérieur du crâne, comme les casques qui dépendent de l'EEG, se limitent actuellement à écouter le tir collectif de groupes de neurones, sacrifiant la puissance et la précision au profit de la sécurité. Pour compliquer encore la situation, la plupart des interfaces neuronales étudiées en laboratoire nécessitent du matériel encombrant, des câbles et un entourage d'ordinateurs, tandis que la plupart des interfaces disponibles dans le commerce sont essentiellement des télécommandes pour des jeux vidéo, des jouets et des applications rudimentaires. Ces casques commerciaux ne résolvent aucun problème du monde réel, et les systèmes les plus puissants étudiés en clinique sont trop peu pratiques pour un usage quotidien.

Avec ce problème à l'esprit, la société d'Elon Musk, Neuralink, a développé un réseau de fils polymères flexibles constellés de plus de 3 000 électrodes minuscules connectées à une radio sans fil et à un processeur de signaux de la taille d'un bouchon de bouteille, ainsi qu'un robot capable d'implanter chirurgicalement les fils dans le cerveau, en évitant les vaisseaux sanguins pour réduire l'inflammation. Neuralink a testé son système sur des animaux et a déclaré qu'il commencerait les essais sur les humains cette année.

L'implication personnelle de DeGray dans la recherche sur les interfaces cerveau-ordinateur est devenue le centre de sa vie. Des scientifiques de Stanford se rendent chez lui deux fois par semaine, en moyenne, pour poursuivre leurs études. « Je me considère comme un pilote d'essai », a-t-il déclaré. « Ma responsabilité consiste à sortir chaque matin un bel avion neuf et à lui faire voler les ailes. Ensuite, les ingénieurs le ramènent dans le hangar et le réparent, et nous recommençons le lendemain. »

Ce que DeGray ressent exactement lorsqu'il active son interface neuronale dépend de sa tâche. Contrôler un curseur en tentant de faire des mouvements de la main, par exemple, ramène le monde entier à une esquisse. Tout ce que vous avez, c'est la gauche, la droite, le haut et le bas". Avec le temps, ce type de contrôle devient si immédiat et intuitif qu'il est ressenti comme une extension transparente de sa volonté. En revanche, la manipulation d'un bras de robot en trois dimensions est un processus beaucoup plus réciproque : « Je ne lui fais pas faire des choses, m'a-t-il dit. Il travaille avec moi de la manière la plus polyvalente qui soit. Nous deux, ensemble, c'est comme une danse. »

Personne ne sait exactement combien de temps les réseaux d'électrodes existants peuvent rester dans un cerveau humain sans se briser ou mettre en danger la santé d'une personne. Bien que DeGray puisse demander l'explantation à tout moment, il souhaite continuer à participer à la recherche indéfiniment. « Je me sens très bien dans ce que je fais ici, a-t-il déclaré. Cela me briserait le cœur si je devais me retirer de ce programme pour une raison quelconque ».

En ce qui concerne l'avenir à long terme de la technologie dans son crâne, cependant, il est quelque peu partagé. « En fait, je passe pas mal de temps à m'inquiéter à ce sujet, m'a-t-il dit. Je suis sûr qu'elle sera mal utilisée, comme toute technologie l'est lorsqu'elle sort pour la première fois. J'espère que cela permettra de mieux comprendre la place qu'elle doit occuper dans notre civilisation. Je pense qu'en fin de compte, il faut avoir confiance dans la bonté fondamentale de l'homme - sinon, on ne rechercherait jamais de nouvelles technologies. Il faut simplement les développer, les laisser se monétiser et voir où elles vont. C'est comme avoir un bébé : vous ne pouvez l'élever que pendant un certain temps, puis vous devez le lâcher dans le monde. »

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