Une nouvelle étude publiée dans la revue Nature rapporte que deux personnes tétraplégiques étaient en mesure d’atteindre et de saisir des objets dans un espace tridimensionnel, à l’aide des bras robotisés qu’ils contrôlaient directement via l’activité du cerveau. Ils ont utilisé le système d’interface neurale BrainGate, un dispositif expérimental en cours d’étude sous l’Investigational Device Exemption. Une participante a utilisé le système pour se servir elle-même un café pour la première fois, depuis qu’elle est devenue paralysée, il y a près de 15 ans.
Le 12 Avril 2011, près de 15 ans après être devenue paralysée et incapable de parler, une femme contrôlait un bras robotisé par la pensée. Elle a déplacé le bras et la main pour soulever une bouteille de café à sa bouche, et prendre un verre. Cette réalisation est issue d’une des grandes avancées dans les interfaces cerveau-ordinateur, la neurotechnologie réparatrice et la robotique d’assistance. Cette étape a été décrite dans l’édition du 17 mai de la revue Nature, en collaboration avec des chercheurs BrainGate2 du ministère des Anciens Combattants (VA), de l’Université Brown, du Massachusetts General Hospital, de la Harvard Medical School, et du Centre Aérospatial Allemand (DLR).
Une femme de 58 ans (« S3 ») et un homme de 66 ans (« T2 ») ont participé à l’étude. Ils avaient tous deux été paralysés par un AVC du tronc cérébral quelques années plus tôt, qui leur a laissé aucun contrôle fonctionnel de leurs membres. Lors de la recherche, les participants ont utilisé l’activité neuronale pour contrôler directement deux bras robotiques différents, l’un développé par l’Institut DLR de Robotique et Mécatronique, et l’autre par DEKA recherche et de développement Corp, pour effectuer des tâches afin d’atteindre et de saisir un objet à travers un large espace tridimensionnel.
L’essai clinique pilote de BrainGate2 utilise le système expérimental BrainGate initialement développé à l’Université Brown, dans lequel un minuscule dispositif composé d’une grille de 96 électrodes est implantée dans le cortex moteur – une partie du cerveau qui est impliquée dans le mouvement volontaire. Les électrodes sont suffisamment proches pour permettre à des neurones individuels d’enregistrer l’activité neuronale associée, avec le mouvement prévu. Un ordinateur externe traduit les modèles d’impulsions d’une population de neurones, dans des commandes pour contrôler les appareils et accessoires fonctionnels, tels que les bras robotiques DLR et DEKA utilisés dans l’étude maintenant rapportée dans Nature.
Les participants de BrainGate avaient déjà démontré une fonction homme-machine bidimensionnelle pour contrôler le curseur d’un écran d’ordinateur et des dispositifs robotiques simples.
L’étude représente la première démonstration et la première évaluation par les pairs du rapport des personnes atteintes de tétraplégie, en utilisant les signaux du cerveau, contrôlant un bras robotisé dans l’espace tridimensionnel pour effectuer une tâche habituellement exécutée par le bras. Plus précisément, les sujets S3 et T2 ont contrôlé les bras pour atteindre des objectifs et saisir des balles en mousse qui ont été placés en face d’eux, utilisant des supports flexibles. En outre, S3 a utilisé le robot DLR pour ramasser une bouteille de café, la porter à sa bouche, émettre une commande pour la faire basculer, boire avec une paille, et retourner la bouteille sur la table. L’activation du BrainGate et la commande au cours des tâches nécessaires du bras-robotique furent une combinaison de mouvement à deux dimensions supplémentaire pour soit saisir, soulever ou incliner la main robotique.
« Notre objectif dans cette recherche est de développer la technologie qui vise à restaurer l’indépendance et la mobilité pour les personnes vivant avec une paralysie ou la perte d’un membre », a déclaré l’auteur principal, le Dr Leigh Hochberg, un neuro-ingénieur et neurologue en soins intensifs, qui détient des nominations au ministère des Anciens Combattants, à l’Université Brown, au Massachusetts General Hospital et à Harvard. Il est le promoteur-investigateur de l’essai clinique pilote BrainGate2. « Nous avons encore beaucoup de travail à faire, mais que les progrès encourageants de cette recherche ont démontré, non seulement la validité des données portée-et-saisir, mais plus encore le sourire de S3, quand elle a décidé d’elle-même de servir du café, de son propre gré, pour la première fois dans près de 15 ans ».
Leigh Hochberg
Un financement partiel de ce travail vient de la VA, qui s’est engagée à améliorer les conditions de vie des anciens combattants blessés. « La VA est honorée d’avoir joué un rôle dans ce domaine passionnant et prometteur de la recherche », a déclaré leur secrétaire Eric Shinseki. « L’annonce d’aujourd’hui représente un grand pas en avant vers l’amélioration de la qualité de vie des anciens combattants et d’autres, qui ont perdu des membres ou sont paralysés ».
Hochberg ajoute que, même après près de 15 ans, une partie du cerveau essentiellement « déconnectée » de son objectif initial, par un accident vasculaire cérébral du tronc cérébral, était encore capable de diriger le mouvement complexe et multidimensionnel d’un bras externe – dans ce cas, un membre robotisé. Les chercheurs ont également noté que S3 a été en mesure d’accomplir les tâches plus de cinq ans après que la matrice d’électrodes expérimentales BrainGate ait été implantée. Ceci définit une nouvelle référence pour savoir combien de temps des électrodes d’interface cerveau-ordinateur implantées sont restées viables et fournies des signaux de commandes utiles.
John Donoghue, le neuroscientifique de VA et Brown, qui a lancé BrainGate plus d’une décennie auparavant, et qui est co-auteur principal de l’étude, a déclaré que l’article « montre à quel point le domaine des interfaces cerveau-ordinateur a parcouru du chemin depuis les premières essais de contrôles de l’ordinateur avec BrainGate ».
« Ce document fait état d’une avancée importante, en appliquant rigoureusement la démonstration sur plus d’un participant, qui précise que le contrôle neuronal du bras d’un robot en trois dimensions est non seulement possible, mais aussi reproductible », a déclaré Donoghue, qui dirige l’Institut Brown de Science du Cerveau. « Nous avons déplacé des fonctions beaucoup plus proches de la vie de tous les jours, comme vous servir une gorgée de café, généralement effectué sans effort par le bras et la main, contrairement aux personnes qui sont incapables de se déplacer avec leurs propres membres. Nous sommes également encouragés de voir le processus de contrôle fonctionner, plus de cinq ans après l’implantation de la puce BrainGate dans un de nos participants. Ce travail est une étape cruciale vers la réalisation de l’objectif à long terme qui est de créer une neurotechnologie de restauration du mouvement, du contrôle, et de l’indépendance des personnes souffrant de paralysie ou de la perte d’un membre ».
Lors de la recherche, les robots ont agi comme un substitut de bras paralysé de chaque participant. Les bras robotiques ont répondu à leur intention de se déplacer, comme ils ont imaginé atteindre chaque cible en mousse. La main de robot a bien saisi la cible lorsque les participants ont imaginé une poignée de main. Parce que le diamètre des objectifs était de plus de la moitié de la largeur des ouvertures de la main du robot, la tâche exigeait à ce que les participants exercent un contrôle précis.
John Donoghue
En 158 essais durant quatre jours, S3 a été en mesure de toucher la cible dans le temps imparti 48,8% des cas, en utilisant le bras robotisé DLR et la main dans 69,2% des cas avec le bras et la main DEKA, qui avaient une plus large portée. Dans 45 essais en utilisant le bras DEKA, T2 touché la cible 95,6% du temps. Parmi les touches réussies, S3 a saisi la cible 43,6% du temps avec le bras DLR et 66,7% du temps avec le bras DEKA. T2 a réussi globalement avec un taux de 62,2% du temps.
T2 a effectué la session d’interaction avec le bras seulement à son quatrième jour ; les trois précédentes sessions ont été axées sur le développement du système. Grâce à ses yeux pour indiquer chaque lettre, il décrit plus tard son contrôle du bras : « Je viens de m’imaginer mon propre bras et le bras [DEKA] vers où je voulais qu’il aille ».
L’étude a utilisé deux bras robotiques de pointe : le DLR Light-Weight Robot III avec le DLR cinq doigts et le système de bras de DEKA. Le DLR LWR-III, qui est conçu pour aider à recréer des actions telles que le bras et la main de l’homme et à interagir avec les utilisateurs humains, pourrait être utile en tant que dispositif d’assistance robotique pour les personnes souffrant de divers handicaps. Patrick van der Smagt, à la tête des robots DLR d’assistance et de la bionique, directeur de la robotique biomimétique et des laboratoires d’apprentissage machine DLR à la Technische Universität München, et co-auteur-principal de l’article, explique : « C’est ce que nous espérions avec ce bras. Nous avons voulu créer un bras qui pourrait être utilisé de manière intuitive en faisant varier les formes de contrôle. Le bras est déjà utilisé par de nombreux laboratoires de recherche à travers le monde qui utilisent son interaction unique et ses capacités tout en sécurité. Il s’agit d’une démonstration convaincante de l’utilité potentielle du bras par une personne ayant une paralysie ».
La recherche et le développement de DEKA ont mis au point le système de bras pour les amputés, grâce à un financement en provenance de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Dean Kamen, fondateur de DEKA a dit : « un de nos rêves pour le Luke Arm [le nom informel du bras DEKA] depuis sa création a été de fournir un membre qui pourrait être exploité, non seulement par des capteurs externes, mais aussi conduit plus directement par la pensée. Nous sommes heureux de ces résultats et que la poursuite de la recherche se fasse par le groupe à la VA, à Brown et au MGH ». La recherche vise à apprendre au bras DEKA à être contrôlé directement du cerveau, permettant potentiellement aux personnes amputées manier plus naturellement cette prothèse.
Système d’interface neuronal BrainGate 2
Citations de l’Université de Brown
Crédits images et vidéos : avec l’aimable autorisation de Brown & Harvard
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