Avancée dans le contrôle de l'esprit : l'interface cerveau-machine révolutionnaire à ultrasons de Caltech

Les dernières avancées en matière d'interfaces cerveau-machine utilisent l'échographie fonctionnelle (fUS), une technique non invasive pour lire l'activité cérébrale. Cette innovation a montré des résultats prometteurs dans le contrôle des dispositifs avec un minimum de retard et sans besoin de recalibration fréquente. Crédit : SciTechDaily.com.

L'échographie fonctionnelle (fUS) marque une avancée significative dans la technologie des interfaces cerveau-machine, offrant une méthode moins invasive pour un contrôle précis des dispositifs électroniques en interprétant l'activité cérébrale.

Les interfaces cerveau-machine (ICM) sont des dispositifs capables de lire l'activité cérébrale et de traduire cette activité pour contrôler un dispositif électronique tel qu'un bras prothétique ou un curseur d'ordinateur. Elles promettent de permettre aux personnes paralysées de déplacer des dispositifs prothétiques par la pensée.

De nombreuses ICM 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 une méthode permettant de lire l'activité cérébrale en utilisant l'échographie fonctionnelle (fUS), une technique beaucoup moins invasive.

Maintenant, une nouvelle étude est une preuve de concept que la technologie fUS peut servir de base à une ICM "en ligne" - qui lit l'activité cérébrale, déchiffre sa signification avec des décodeurs programmés avec l'apprentissage automatique, et contrôle en conséquence un ordinateur capable de prédire avec précision les mouvements avec un temps de retard minimal.

L'échographie est utilisée pour imaginer des feuilles bidimensionnelles du cerveau, qui peuvent ensuite être superposées pour créer une image en 3D. Crédit : Courtoisie de W. Griggs.

L'étude a été menée dans les laboratoires de Caltech de Richard Andersen, professeur de neurosciences James G. Boswell et directeur et titulaire de la chaire de direction du Centre d'interface cerveau-machine T&C Chen ; et de Mikhail Shapiro, professeur de génie chimique et de génie médical Max Delbrück et investigateur de l'Institut médical Howard Hughes. Les travaux ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire de Mickael Tanter, directeur de physique pour la médecine à l'INSERM à Paris, en France.

"L'échographie fonctionnelle est une modalité entièrement nouvelle à ajouter à la boîte à outils des interfaces cerveau-machine qui peuvent aider les personnes paralysées", déclare Andersen. "Elle offre des options attractives en étant moins invasive que les implants cérébraux et ne nécessite pas de recalibration constante. Cette technologie a été développée dans le cadre d'un effort véritablement collaboratif qui ne pouvait pas être accompli par un seul laboratoire."

"En général, tous les outils de mesure de l'activité cérébrale ont des avantages et des inconvénients", déclare Sumner Norman, ancien chercheur postdoctoral principal à Caltech et co-premier auteur de l'étude. "Alors que les électrodes peuvent mesurer très précisément l'activité des neurones individuels, elles nécessitent une implantation dans le cerveau lui-même et sont difficiles à mettre à l'échelle pour plus que quelques petites régions cérébrales. Les techniques non invasives ont aussi leurs compromis. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), offre un accès à tout le cerveau mais est limitée 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 la fonction cérébrale profonde."

La vascularisation du cortex pariétal postérieur telle que mesurée par neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons. Crédit : Courtoisie de W. Griggs.

L'imagerie par ultrasons fonctionne en émettant des impulsions de sons haute fréquence et en mesurant comment ces vibrations sonores résonnent à travers une substance, comme les différents tissus du corps humain. Les ondes sonores se déplacent à des vitesses différentes à travers ces types de tissus et se reflètent aux frontières entre eux. Cette technique est couramment utilisée pour prendre des images d'un fœtus in utero et à des fins d'imagerie diagnostique.

Étant donné que le crâne lui-même n'est pas perméable aux ondes sonores, l'utilisation de l'échographie pour l'imagerie cérébrale nécessite une "fenêtre" transparente installée 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", déclare Whitney Griggs (PhD '23), co-premier auteur de l'étude. "Cela réduit considérablement le risque d'infection et laisse parfaitement intact le tissu cérébral et sa durée protectrice."

“As neurons’ activity changes, so does their use of metabolic resources like oxygen,” says Norman. “Those resources are resupplied through the blood stream, which is the key to functional ultrasound.” In this study, the researchers used ultrasound to measure changes in blood flow to specific brain regions. In the same way that the sound of an ambulance siren changes in pitch as it moves closer and then farther away from you, red blood cells will increase the pitch of the reflected ultrasound waves as they approach the source and decrease the pitch as they flow away. Measuring this Doppler-effect phenomenon allowed the researchers to record tiny changes in the brain’s blood flow down to spatial regions just 100 micrometers wide, about the width of a human hair. This enabled them to simultaneously measure the activity of tiny neural populations, some as small as just 60 neurons, widely throughout the brain.

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The researchers used functional ultrasound to measure brain activity from the posterior parietal cortex (PPC) of non-human primates, a region that governs the planning of movements and contributes to their execution. The region has been studied by the Andersen lab for decades using other techniques.

The animals were taught two tasks, requiring them to either plan to move their hand to direct a cursor on a screen, or plan to move their eyes to look at a specific part of the screen. They only needed to think about performing the task, not actually move their eyes or hands, as the BMI read the planning activity in their PPC.

“I remember how impressive it was when this kind of predictive decoding worked with electrodes two decades ago, and it’s amazing now to see it work with a much less invasive method like ultrasound,” says Shapiro.

The ultrasound data was sent in real-time to a decoder (previously trained to decode the meaning of that data using machine learning), and subsequently generated control signals to move a cursor to where the animal intended it to go. The BMI was able to successfully do this to eight radial targets with mean errors of less than 40 degrees.

“It’s significant that the technique does not require the BMI to be recalibrated each day, unlike other BMIs,” says Griggs. “As an analogy, imagine needing to recalibrate your computer mouse for up to 15 minutes each day before use.”

Next, the team plans to study how BMIs based on ultrasound technology perform in humans, and to further develop the fUS technology to enable three-dimensional imaging for improved accuracy.

The paper is titled “Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain–machine interface” and was published in the journal Nature Neuroscience on November 30.