Les dernières avancées en matière d’interfaces cerveau-machine incluent l’échographie fonctionnelle (fUS), une technique non invasive de lecture de l’activité cérébrale. Cette innovation a montré des résultats prometteurs dans le contrôle des appareils avec un délai minimal et sans nécessiter de réétalonnages fréquents. Crédit : Issues.fr.com
L’échographie fonctionnelle (fUS) marque une avancée significative dans la technologie de l’interface cerveau-machine, offrant une méthode moins invasive pour un contrôle précis des appareils électroniques en interprétant l’activité cérébrale.
Les interfaces cerveau-machine (IMC) sont des appareils capables de lire l’activité cérébrale et de traduire cette activité pour contrôler un appareil électronique comme une prothèse de bras ou un curseur d’ordinateur. Ils promettent de permettre aux personnes paralysées de déplacer leurs prothèses avec leur pensée.
De nombreux IMC nécessitent des interventions chirurgicales invasives pour implanter des électrodes dans le cerveau afin de lire l’activité neuronale. Cependant, en 2021, des chercheurs de Caltech ont développé un moyen de lire l’activité cérébrale à l’aide de l’échographie fonctionnelle (fUS), une technique beaucoup moins invasive.
L’échographie fonctionnelle : un changement de donne pour les IMC
Aujourd’hui, une nouvelle étude est une preuve de concept selon laquelle la technologie fUS peut constituer la base d’un IMC « en ligne », qui lit l’activité cérébrale et déchiffre sa signification à l’aide de décodeurs programmés avec apprentissage automatiqueet contrôle par conséquent un ordinateur capable de prédire avec précision les mouvements avec un temps de retard très minimal.
L’échographie est utilisée pour imager des feuilles bidimensionnelles du cerveau, qui peuvent ensuite être empilées pour créer une image 3D. Crédit : Avec l’aimable autorisation de W. Griggs
L’étude a été menée dans les laboratoires Caltech de Richard Andersen, professeur James G. Boswell de neurosciences et directeur et président du leadership du T&C Chen Brain-Machine Interface Center ; et Mikhail Shapiro, professeur Max Delbrück de génie chimique et de génie médical et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. Le travail était une collaboration avec le laboratoire de Mickael Tanter, directeur de physique pour la médecine à l’INSERM à Paris, France.
Avantages de l’échographie fonctionnelle
« L’échographie fonctionnelle est une modalité complètement nouvelle à ajouter à la boîte à outils des interfaces cerveau-machine qui peuvent aider les personnes paralysées », explique Andersen. «Il offre des options intéressantes car il est moins invasif que les implants cérébraux et ne nécessite pas de recalibrage constant. Cette technologie a été développée dans le cadre d’un véritable effort de collaboration qui ne pouvait être réalisé par un seul laboratoire.
« En général, tous les outils permettant de mesurer l’activité cérébrale présentent des avantages et des inconvénients », explique Sumner Norman, ancien chercheur postdoctoral principal associé à Caltech et co-premier auteur de l’étude. « Bien que les électrodes puissent mesurer très précisément l’activité de neurones individuels, elles nécessitent une implantation dans le cerveau lui-même et sont difficiles à adapter à plus de quelques petites régions du cerveau. Les techniques non invasives comportent également des compromis. Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) fournit un accès à l’ensemble du cerveau mais est limité par une sensibilité et une résolution limitées. Les méthodes portables, comme l’électroencéphalographie (EEG), sont entravées par une mauvaise qualité du signal et une incapacité à localiser les fonctions cérébrales profondes.
Le système vasculaire du cortex pariétal postérieur tel que mesuré par neuroimagerie fonctionnelle par ultrasons. Crédit : Avec l’aimable autorisation de W. Griggs
Imagerie échographique expliquée
L’imagerie par ultrasons fonctionne en émettant des impulsions sonores à haute fréquence et en mesurant la manière dont ces vibrations sonores se répercutent dans une substance, telle que divers tissus du corps humain. Les ondes sonores se propagent à différentes vitesses à travers ces types de tissus et se reflètent aux frontières qui les séparent. Cette technique est couramment utilisée pour prendre des images d’un fœtus in uteroet pour d’autres imageries diagnostiques.
Étant donné que le crâne lui-même n’est pas perméable aux ondes sonores, l’utilisation des ultrasons pour l’imagerie cérébrale nécessite l’installation d’une « fenêtre » transparente dans le crâne. « Il est important de noter que la technologie des ultrasons n’a pas besoin d’être implantée dans le cerveau lui-même », explique Whitney Griggs (PhD ’23), co-premier auteur de l’étude. « Cela réduit considérablement le risque d’infection et laisse le tissu cérébral et sa dure protectrice parfaitement intacts. »
« À mesure que l’activité des neurones change, leur utilisation des ressources métaboliques comme l’oxygène change également », explique Norman. « Ces ressources sont réapprovisionnées par la circulation sanguine, qui est la clé de l’échographie fonctionnelle. » Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé les ultrasons pour mesurer les changements dans le flux sanguin vers des régions spécifiques du cerveau. De la même manière que le son d’une sirène d’ambulance change de tonalité à mesure qu’elle se rapproche puis s’éloigne de vous, les globules rouges augmenteront la tonalité des ondes ultrasonores réfléchies à mesure qu’elles s’approchent de la source et diminueront la tonalité à mesure qu’elles s’éloignent. . La mesure de ce phénomène d’effet Doppler a permis aux chercheurs d’enregistrer de minuscules changements dans le flux sanguin du cerveau jusqu’à des régions spatiales d’à peine 100 micromètres de large, soit environ la largeur d’un cheveu humain. Cela leur a permis de mesurer simultanément l’activité de minuscules populations neuronales, certaines aussi petites que 60 neurones, réparties dans tout le cerveau.
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Application innovante chez les primates non humains
Les chercheurs ont utilisé des ultrasons fonctionnels pour mesurer l’activité cérébrale du cortex pariétal postérieur (PPC) de primates non humains, une région qui régit la planification des mouvements et contribue à leur exécution. La région est étudiée par le laboratoire d’Andersen depuis des décennies en utilisant d’autres techniques.
Les animaux ont appris deux tâches, les obligeant soit à prévoir de bouger leur main pour diriger un curseur sur un écran, soit à prévoir de bouger leurs yeux pour regarder une partie spécifique de l’écran. Il leur suffisait de pense sur l’exécution de la tâche, sans bouger réellement les yeux ou les mains, car l’IMC lit l’activité de planification dans son PPC.
« Je me souviens à quel point c’était impressionnant lorsque ce type de décodage prédictif fonctionnait avec des électrodes il y a vingt ans, et c’est étonnant maintenant de le voir fonctionner avec une méthode beaucoup moins invasive comme l’échographie », explique Shapiro.
Résultats prometteurs et projets futurs
Les données échographiques ont été envoyées en temps réel à un décodeur (préalablement formé pour décoder la signification de ces données à l’aide de l’apprentissage automatique), et ont ensuite généré des signaux de contrôle pour déplacer un curseur là où l’animal voulait qu’il aille. Le BMI a réussi à le faire sur huit cibles radiales avec des erreurs moyennes inférieures à 40 degrés.
« Il est significatif que la technique ne nécessite pas de recalibrer l’IMC chaque jour, contrairement aux autres IMC », explique Griggs. « Par analogie, imaginez devoir recalibrer la souris de votre ordinateur jusqu’à 15 minutes chaque jour avant de l’utiliser. »
Ensuite, l’équipe prévoit d’étudier comment les IMC basés sur la technologie ultrasonore fonctionnent chez l’homme et de développer davantage la technologie fUS pour permettre une imagerie tridimensionnelle améliorée. précision.
L’article s’intitule « Décoder les plans moteurs à l’aide d’une interface cerveau-machine ultrasonique en boucle fermée » et a été publié dans la revue Neurosciences naturelles le 30 novembre.
Whitney Griggs (PhD ’23), UCLA-Un étudiant en médecine/doctorat de Caltech et Sumner Norman, ancien chercheur postdoctoral à Forest Neurotech, sont les premiers auteurs de l’étude. Outre Griggs, Norman et Andersen, les coauteurs de Caltech sont Geeling Chau, étudiant diplômé, et Vasileios Christopoulos, associé invité en biologie et en génie biologique. Les autres coauteurs sont Charles Liu de USC; et Mickael Tanter, Thomas Deffieux et Florian Segura de l’INSERM à Paris, France. Le financement a été fourni par le National Eye Institute, une bourse Josephine de Karman, l’UCLA-Caltech MSTP, la Fondation Della Martin, l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux, le Instituts nationaux de la santéle T&C Chen Brain-Machine Interface Center et la Fondation Boswell.
