Première mondiale : un bras robotique est contrôlé avec succès par la pensée sans l'aide d'implants cérébraux

PITTSBURGH, 19 juin 2019 /CNW/ - Une équipe de chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, en collaboration avec des chercheurs de l'Université du Minnesota, a fait une percée dans le domaine du contrôle de dispositifs robotiques à l'aide de moyens non invasifs. À l'aide d'une interface cerveau-ordinateur (ICO) non invasive, les chercheurs ont mis au point le tout premier bras robotique à commande mentale capable de suivre de façon continue un curseur d'ordinateur sur un écran.

Le fait de pouvoir contrôler à l'aide de moyens non invasifs des dispositifs robotiques en n'utilisant que la pensée aura de vastes applications, en particulier dans la vie des patients paralysés et des personnes atteintes de troubles moteurs.

Il a été démontré que les ICO offrent un bon rendement pour le contrôle de dispositifs robotiques en utilisant uniquement les signaux captés à l'aide d'implants cérébraux. Lorsque les dispositifs robotiques peuvent être contrôlés avec une grande précision, ils peuvent être utilisés pour accomplir une foule de tâches quotidiennes. Cependant, jusqu'à maintenant, les ICO qui ont pu contrôler avec succès des bras robotiques nécessitaient l'installation d'implants cérébraux invasifs. Ces implants nécessitent une expertise médicale et chirurgicale considérable pour être correctement installés et utilisés, sans parler des coûts et des risques potentiels pour les sujets, et en tant que tels, leur utilisation a été limitée à quelques cas cliniques seulement.

L'un des grands défis de la recherche dans le domaine des ICO consiste à mettre au point une technologie moins invasive, voire non invasive, qui permettrait aux patients paralysés de contrôler leur environnement ou leurs membres robotiques en utilisant seulement leurs « pensées ». Une telle technologie d'ICO non invasive, si elle offre le rendement souhaité, offrirait une technologie extrêmement utile pour de nombreux patients et même potentiellement pour la population en général.

Cependant, les ICO qui utilisent des capteurs externes non invasifs, plutôt que des implants cérébraux, reçoivent des signaux « moins clairs », ce qui entraîne une résolution plus faible et un contrôle moins précis. Ainsi, lorsqu'on utilise uniquement le cerveau pour contrôler un bras robotique, une ICO non invasive n'offre pas un aussi bon rendement que les implants cérébraux. Malgré cela, les chercheurs du domaine des ICO sont allés de l'avant avec l'objectif de mettre au point une technologie moins invasive, voire non invasive, qui pourrait aider les patients partout dans le monde au quotidien.

Bin He, professeur, administrateur et chef du département de génie biomédical à l'Université Carnegie Mellon, est en voie d'atteindre cet objectif, une découverte clé à la fois.

« Il y a eu des percées majeures dans le domaine des dispositifs robotiques contrôlés par la pensée utilisant des implants cérébraux. C'est une excellente science », affirme M. He. « Toutefois, le but ultime est d'employer des moyens non invasifs pour ce faire. Les percées en matière de décodage neuronal et l'aspect pratique du contrôle d'un bras robotique à l'aide de moyens non invasifs auront des conséquences majeures sur l'éventuel développement de la neurorobotique non invasive », ajoute M. He.

Grâce à de nouveaux capteurs et à de nouvelles techniques d'apprentissage automatique, M. He et son laboratoire ont pu capter des signaux plus profonds du cerveau, ce qui leur a permis d'obtenir une haute résolution pour assurer le contrôle d'un bras robotique. À l'aide de la neuroimagerie non invasive et d'un nouveau paradigme de poursuite continue, M. He surmonte les difficultés que pose le captage de signaux troubles par l'électroencéphalographe, ce qui permet une amélioration significative du décodage neuronal effectué à l'aide de l'électroencéphalographe et facilite le contrôle en temps réel de dispositifs robotiques 2D en continu.

En utilisant une ICO non invasive pour contrôler un bras robotique qui suit un curseur sur un écran d'ordinateur, pour la toute première fois, M. He a montré chez des sujets humains qu'un bras robotique peut maintenant suivre un curseur de façon continue. Alors que les bras robotiques contrôlés par des humains de manière non invasive étaient auparavant capables de suivre un curseur en mouvement de façon saccadée et discontinue, comme si le bras robotique essayait de « rattraper » les commandes du cerveau, désormais, le bras suit le curseur en empruntant une trajectoire lisse et continue.

Dans un article publié dans Science Robotics, l'équipe de chercheurs a établi un nouveau cadre qui traite et améliore les composantes « cerveau » et « ordinateur » de l'ICO en augmentant la mobilisation et la formation des utilisateurs, ainsi que la résolution spatiale des données neurologiques non invasives fournies par l'imagerie source de l'électroencéphalographe.

L'article, intitulé « Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control » (la neuroimagerie non invasive améliore le suivi neuronal continu pour le contrôle de dispositifs robotiques), montre que l'approche unique de l'équipe pour résoudre ce problème a non seulement amélioré l'apprentissage ICO de près de 60 % pour les tâches traditionnelles de centrage, mais a également amélioré le suivi continu d'un curseur informatique de plus de 500 %.

La technologie a également des applications qui pourraient aider une variété de personnes, en offrant un « contrôle mental » sûr et non invasif des dispositifs qui peuvent permettre aux gens d'interagir avec leur environnement et de le contrôler. À ce jour, la technologie a été mise à l'essai chez 68 sujets humains valides (jusqu'à 10 séances pour chaque sujet), y compris la commande d'un dispositif virtuel et le contrôle d'un bras robotique pour la poursuite continue d'un curseur. La technologie est directement applicable aux patients et l'équipe prévoit mener des essais cliniques dans un proche avenir.

« Malgré les défis techniques liés à l'utilisation de signaux non invasifs, nous sommes pleinement résolus à mettre cette technologie sûre et économique à la portée de ceux qui peuvent en bénéficier », déclare M. He. « Ce travail représente une étape importante dans les interfaces cerveau-ordinateur non invasives, une technologie qui pourrait un jour devenir une technologie d'assistance omniprésente pour tous, comme les téléphones intelligents », ajoute-t-il.

Ce travail a été soutenu en partie par le National Center for Complementary and Integrative Health, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke, le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering et le National Institute of Mental Health.

À propos du College of Engineering : Le College of Engineering de l'Université Carnegie Mellon est un collège d'ingénierie de premier plan qui est reconnu pour mettre intentionnellement l'accent sur la collaboration interdisciplinaire en recherche. Le collège est bien connu pour son travail sur des problèmes d'importance à la fois scientifique et pratique. La culture de « faiseur » du collège est enracinée dans tout ce qu'il entreprend, ce qui mène à de nouvelles approches et à des résultats transformateurs. Les facultés renommées du collège mettent l'accent sur la gestion de l'innovation et du génie afin d'obtenir des résultats transformateurs qui stimuleront la vitalité intellectuelle et économique de notre communauté, de notre nation et du monde.

À propos de l'Université Carnegie Mellon : L'Université Carnegie Mellon (www.cmu.edu) est une université privée de renommée internationale qui offre des programmes dans des domaines allant des sciences, de la technologie et des affaires aux politiques publiques, aux sciences humaines et aux arts. Plus de 13 000 étudiants dans les 7 écoles et collèges de l'université bénéficient d'un petit nombre d'étudiants par enseignant et d'une éducation caractérisée par l'accent mis sur la création et la mise en oeuvre de solutions aux problèmes concrets du monde, la collaboration interdisciplinaire et l'innovation.

Personne-ressource : Emily Durham; 412-268-2406; [email protected]

SOURCE Carnegie Mellon University College of Engineering