Exploration des Interfaces Cerveau-Ordinateur (Brain Computer Interface or BCI): Neuralink, avancées et compétition dans un domaine en plein développement

mars 14, 2024

Nous proposons de revenir sur les récentes avancées dans le domaine des Interfaces Cerveau-Ordinateur (Brain Computer Interface or BCI), marquées par les annonces de Neuralink, société d'Elon Musk, développant l’implant cérébral Telepathy pour connecter les cerveaux humains aux ordinateurs. Cet article explore les fondements scientifiques des BCI, soulignant leur évolution depuis les expériences pionnières des années 1970 jusqu'aux avancées récentes - dont celles de Neuralink - au coeur d’un environnement concurrentiel dans le domaine. Si les annonces américaines bénéficient d’une forte visibilité, le BCI est un domaine où la France a énormément à faire valoir, à l’image de ces équipes qui travaillent et font des avancées significatives depuis plusieurs années déjà dans la restauration de la marche chez les patients atteints de paralysie. Pour mieux comprendre ces avancées et leur impact, vous trouverez dans cet article des extraits d'interviews de Moritz Leber, directeur de HearAgain, une division responsable de la restauration de l’audition de Blackrock Neurotech.

L’exploration du cerveau humain, souvent comparé à une machine plus sophistiquée que tout ce que l’humanité a créé, a toujours suscité un grand intérêt. La technologie Interface Cerveau-Ordinateur (BCI, Brain-Computer Interface) a été désignée Technologie de l’Année 2023 par la revue Nature Electronics, 50 ans après que le terme BCI ait été inventé par Jacques Vidal, alors doctorant à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA). (1) Les dernières annonces de la société Neuralink, dirigée par Elon Musk, développant Telepathy, un dispositif « conçu pour connecter des cerveaux humains directement à des ordinateurs », rendent de plus en plus floue la frontière entre biologie et technologie.(2) Ces annonces nourrissent un réel engouement médiatique autour des Interfaces Cerveau-Ordinateur . Cet article propose donc de revenir sur les fondements scientifiques des BCI qui sont au cœur de recherches pionnières depuis déjà plusieurs décennies. En effet, la récente annonce de Neuralink marque une étape significative et s’inscrit dans un contexte plus large d’efforts visant à décoder l’activité cérébrale et à créer des liens entre le cerveau humain et la machine. (3)

1. Neuralink en quelques mots:

Fondée en 2016 dans le Pioneer Building à San Francisco, la société Neuralink est tout d’abord restée discrète jusqu’en 2017. Dirigée par Elon Musk, Neuralink comptait tout de même dès juillet 2019 près de 90 employés. La proposition de valeur de Neuralink se concentre sur le développement de deux produits majeurs, le premier étant une puce implantable équipée d’électrodes capable de se déployer dans le cerveau, et le second, un robot automatisé conçu pour effectuer l’implantation de cette puce. En la matière, d’autres dispositifs robotiques neurochirurgicaux, visant à l’implantation d’électrodes, à la diffusion de molécules ou à la collecte de données, sont en cours de développement, à l’instar des travaux de la startup française Robeauté.(4) Initialement prévues pour débuter en 2020, les premières études cliniques ont été reportées en 2023 dans l’attente des autorisations de la FDA. En mai 2023, Neuralink a finalement reçu l’approbation pour des essais sur des humains aux États-Unis. Ceux-ci ont donné lieu à une série d’annonces récentes sur X (anciennement Twitter), faites par Elon Musk :

Le 29 janvier 2024 a été réalisée avec succès la première implantation du dispositif cérébral Neuralink chez un patient humain ;
Le 23 Février 2024, le premier patient implanté avec la puce de Neuralink était en capacité de déplacer un curseur d’ordinateur avec son esprit.
2. Mais qu’est-ce qu’un BCI?

La solution proposée par Neuralink est une BCI, c’est-à-dire une interface permettant à un utilisateur d’effectuer des actions directes en utilisant uniquement l’activité de son cerveau, sans solliciter ses muscles. Les BCI sont une avancée technologique importante dans la restauration des fonctions motrices chez les patients atteints de certains types de paralysies. (5) Le fonctionnement d’un BCI repose sur la capture des signaux cérébraux, qui peut se faire de manière invasive – en intracérébral comme proposé par Neuralink – ou non invasive – en utilisant par exemple des mesures d’oxygénation sanguine, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou la spectroscopie infrarouge fonctionnelle. (6) En effet, les signaux cérébraux sont captés à partir de l’activité électrophysiologique des cellules nerveuses du cerveau, se manifestant sous forme de fluctuations de tension générées par les neurones. Pour les rendre plus détectables, ces signaux sont amplifiés puis convertis en signaux numériques, ce qui facilite l’identification de leurs caractéristiques spécifiques. Les fluctuations des signaux cérébraux corrélés avec les intentions sont en fait des variations d’intentions. En utilisant ces signaux, on peut donc remonter à des commandes appropriées. Ces commandes peuvent être utilisées pour contrôler divers appareils ou interfaces informatiques. Généralement, dans les deux types de BCI – invasives et non invasives – les informations échangées entre le cerveau et l’ordinateur (ou tout autre dispositif faisant partie du système BCI) constituent des données traitées en temps réel, qui traduisent une certaine activité cérébrale.

Éléments essentiels et fonctionnement d’un système BCI, Applications cliniques des interfaces cerveau-ordinateur.

3. Aux origines des premières recherches sur les BCI

“Il y a un réel effet médiatique, qui fait que les gens peuvent se tromper en pensant que quelqu’un comme Elon Musk a eu l’idée d’une telle technologie. Mais comme vous le savez, ce n’est pas le cas. Il y a eu des générations de scientifiques, patients et entrepreneurs qui se sont penchés sur le sujet auparavant” – Moritz Leber

Vous l’aurez compris, les BCI ne sont pas le monopole de Neuralink, et ont fait l’objet de nombreuses recherches au cours des décennies passées. En effet, ce domaine a connu une évolution significative, marquée par plusieurs jalons majeurs dans le développement de ces technologies.. (3) Les premières découvertes marquantes ont eu lieu dans les laboratoires californiens de l’UCLA où, dans les années 1970, des chercheurs se sont plongés dans des expériences pionnières avec des animaux. Leur objectif était clair : ouvrir un nouveau chemin de communication directe entre les environnements externes et le cerveau humain. En 1973, Jacques Vidal met la lumière sur ce domaine de recherche en publiant un article intitulé « Vers des communications cerveau-ordinateur directes », et invente pour la première fois le terme “Brain Computer Interface”. (7) Cependant, ce n’est qu’à la fin des années 90 que les premières tentatives avec des êtres humains ont démarrées. Philip Kennedy, fondateur de Neural Signals, Inc. à Atlanta, réalise la première implantation invasive humaine de BCI en 1998. Son but était de permettre à des patients paralysés de retrouver une voie vers le monde extérieur, en leur rendant de l’autonomie. Le premier patient, atteint d’une paralysie totale à la suite d’un AVC du tronc cérébral, a été équipé du dispositif et, après des mois d’entraînement, a retrouvé le contrôle d’un curseur informatique par la seule puissance de la pensée. Kennedy avait appelé son patient le « premier cyborg » au monde. Cet exploit technologique et médical a été largement relayé et encensé par la presse internationale : il s’agissait de la toute première démonstration d’une personne humaine communiquant par le biais d’une interface cerveau-ordinateur. Malgré une avancée scientifique remarquable, les patients n’ont pas survécu : après avoir été implanté avec un BCI en 1998, ce patient est décédé d’un anévrisme cérébral en 2002. Les autres patients n’ont pas bénéficié des implants : l’un a dû être retiré en raison d’une complication, l’autre a vu sa maladie progresser trop rapidement pour que les enregistrements neuronaux soient utiles. (8) Malgré cela, les années suivantes furent marquées par des avancées révolutionnaires dans le domaine. En 2005, Matt Nagle, malgré une tétraplégie de catégorie 3 suite à une blessure à la colonne vertébrale, a marqué l’histoire en devenant la première personne capable de contrôler une main artificielle grâce à un BCI. En 2012, une étude, menée sur des singes, a démontré la possibilité d’un contrôle neuronal direct des membres via les BCIs, promettant de nouvelles avancées dans la rééducation motrice. Une autre étude, menée sur des sujets humains tétraplégiques, a mis en évidence la capacité des BCIs à restaurer les mouvements après une paralysie, offrant ainsi de l’espoir pour les personnes atteintes de handicaps débilitants. En 2017, l’université de Stanford a publié une étude où une BCI intracortical a été testé par trois participants à des essais cliniques. Les participants atteints de paralysie ont été capable de déplacer un curseur en dépassant les performances précédemment réalisées en augmentant le vitesse de frappe de 1.4 à 4.2 fois et en augmentant le débit d’information de 1.4 à 1.2 fois, démontrant le fort potentiel des BCIs en tant que dispositifs d’aide à la communication. (9)

“Aujourd’hui, de nombreux laboratoires de recherche dans le monde entier travaillent sur les BCI, dont certains des plus éminents étants Brown, Pittsburgh, Caltech par exemple” – Moritz Leber

Evolution temporelle du nombre de publications scientifiques relatives aux interfaces cerveau-ordinateur

Le graphe ci-dessus illustre l’évolution exponentielle du nombre de publications au sujet des BCI, traduisant la mobilisation de la communauté scientifique dans le domaine, également relayée par l’intérêt du grand public pour ces technologies. (10)

“Ce que fait Neuralink a un côté très positif, car cela suscite beaucoup d’attention et d’enthousiasme dans le domaine! Un autre moment très médiatisé était celui où, en 2016, le Président Obama a serré la main d’un patient qui a bénéficié de la technologie Blackrock Neurotech ainsi que des travaux de recherche de l’Université de Pittsburgh et du Centre Médical de l’Université de Pittsburgh” (11) – Moritz Leber

President Obama shares monumental handshake with paralyzed man

4. Positionnement de Neuralink par rapport aux autres BCI :

Le produit de Neuralink arrive donc au coeur d’un paysage très concurrentiel. Il existe en effet d’autres entreprises travaillant sur ce type de produit, dont les plus connues aux Etats-Unis sont Blackrock Neurotech ou encore Synchron. (12)(13)

Neuralink

L’entreprise Neuralink a adopté une approche focalisée sur l’activité des neurones individuels, qui requiert que des électrodes soient installées au sein du cerveau pour capturer les signaux émis. Cette approche nécessite une intervention invasive mais est soutenue par les neuroscientifiques comme permettant de décoder les signaux du cerveau de manière plus précise. A noter que d’autres recherches récentes suggèrent que des signaux moyennés peuvent également permettre le décodage de processus cognitifs complexes. (14) Une autre caractéristique distinctive de Neuralink est son système de captation des signaux neuronaux est entièrement intégré et sans fil, une avancée majeure pour les BCIs enregistrant à partir de neurones individuels. Contrairement aux systèmes concurrents, qui nécessitent une connexion physique à un ordinateur via un port crânien, le système de Neuralink élimine les contraintes liées à l’utilisation filaire dans des situations réelles.

Blackrock Neurotech

Quelques mots à propos de la société, par Moritz Leber, Head of HearAgain at Blackrock Neurotech.

L’histoire de Blackrock Neurotech a commencé avec le développement du système d’électrode Utah (15) – composée de micro électrodes en silicium de haute qualité. Cette prouesse technique a été initiée au début des années 1990 à l’Université d’Utah, résultant ultérieurement en la création d’une petite entreprise. En 2008, le système d’électrode Utah avait déjà été implanté chez des patients humains, devenant ainsi le premier dispositif de ce genre à atteindre le cerveau humain. Cette avancée a suscité une grande excitation, avec de nombreux articles publiés à l’époque, et depuis lors, le système d’électrode Utah ainsi que toute la technologie fournie et développée par Blackrock Neurotech ont été largement utilisés dans les domaines de la recherche. – Moritz Leber

La puce développée par Blackrock Neurotech, société basée en Utah, est le seul autre système d’enregistrement d’un neurone unique à avoir été implanté à long terme chez l’homme. La différence entre la puce de Blackrock Neurotech et celle de Neuralink réside dans le nombre et la répartition des sites d’enregistrement de l’activité cérébrale : là où Blackrock utilise une matrice relativement peu invasive de quelques dizaines ou centaines de micro aiguilles, micro-usinées sur une puce de Silicium, Neuralink se compose de 1 024 sites d’enregistrement de l’activité cérébrale.(16) En complément de ses dispositifs implantés, Blackrock développe également des matrices d’électrodes péricranienes externes, destinées à d’autres fonctionnalités.

Synchron

La société Synchron, basée à New York et approchée par Musk en 2022, adopte une approche similaire à la stimulation cérébrale profonde de Neuralink, utilisant un ensemble d’électrodes implantées dans le tissu crânien et reliées à une batterie. Cette méthode vise à intercepter ou modifier l’activité neuronale selon les besoins, mais elle diffère de Neuralink par sa localisation et sa méthode d’implantation. En utilisant le Stentrode, un dispositif inséré dans un vaisseau sanguin près de la zone cérébrale liée aux mouvements, Synchron offre une alternative moins invasive mais potentiellement moins précise.(17)

BrainGate

Enfin BrainGate, dont l’équipe de recherche est basée à Brown University dans le Rhode Island, est l’un des pionniers dans le domaine des BCIs et a développé une approche où les électrodes sont implantées à la surface du cerveau, au sommet du cortex, dans les zones responsables des mouvements des membres ou de la parole. Cette technique, bien que moins invasive que celle de Neuralink, limite la résolution spatiale des signaux neuronaux capturés. Actuellement, BrainGate conduit des essais cliniques sur sa deuxième itération de BCI, conçue spécifiquement pour les personnes tétraplégiques. (18) Ces différences entre les approches de Neuralink, Synchron et BrainGate reflètent la diversité des techniques et des stratégies dans le domaine des BCI, chacune présentant ses propres avantages et limitations en termes de résolution spatiale, invasivité et fonctionnalités cliniques.

5. En France:

En nombre de publications, la France se positionne au 11ème rang mondial de la recherche sur les BCI, les États-Unis et la Chine dominant ce classement.(10)

Nombre de publications scientifiques par pays sur les BCI

Les équipes françaises ont été à l’origine de plusieurs premières mondiales et avancées majeures du domaine. Par exemple, l’équipe de recherche du CEA Clinatec a rapporté le 24 mai 2023, dans la revue Nature, une interface cerveau-moelle épinière novatrice nommée Brain-Spinal Interface (BSI). (18) Ces travaux ont été inspirés par ceux, antérieurs, de la même équipe et qui avaient été publiés en 2019 dans The Lancet ; ils annonçaient le succès du premier implant BCI permettant à un patient tétraplégique de contrôler un exosquelette entier. (19)

Cette BSI a été développée pour les personnes souffrant de tétraplégie chronique, rétablissant la connexion entre le cerveau et la moelle épinière responsable de la marche. Intégrant des dispositifs d’enregistrement et de stimulation implantés, l’interface facilite la transmission des signaux cérébraux spinaux en modulant la stimulation électrique épidurale dans des zones spécifiques liées à la production de la marche. La calibration de l’interface est extrêmement fiable, ne prenant que quelques minutes, et elle reste stable sur une période d’un an, même avec une utilisation quotidienne à domicile. Les bénéficiaires ont rapporté une sensation naturelle de contrôle de leurs jambes pour des activités telles que se tenir debout, marcher, monter les escaliers, voire traverser des terrains difficiles. De plus, la réhabilitation neurale assistée par BSI a permis une amélioration de la récupération neurologique, allant même jusqu’à permettre à un participant de marcher avec des béquilles sur un sol plat lorsque l’interface était éteinte. Cette percée ouvre ainsi la voie à la restauration du contrôle naturel des mouvements après une paralysie, offrant un espoir considérable aux patients concernés. A noter que se forment autour de ce domaine d’étude des équipes pluridisciplinaires, comme celle commune à l’Inria, Sorbonne Université, l’Inserm et au CNRS, située à l’Institut du Cerveau (ICM), baptisée NERV et créée en octobre 2023. NERV se spécialise dans l’amélioration des BCI pour les patients paralysés. L’objectif de ces chercheurs, informaticiens et neurologues est d’augmenter la fiabilité des BCI, actuellement à 70-80% de précision. En utilisant des techniques telles que l’électroencéphalographie (EEG), ils travaillent sur des algorithmes détectant les signatures corticales et des biomarqueurs personnalisés. Leurs recherches pourraient également avoir un impact dans des domaines comme la santé publique ou l’énergie. Une expérimentation sur 50 patients débutera en 2024 pour valider l’efficacité de leurs travaux. (20)

“J’ai de grands espoirs pour l’avenir de ce domaine, car il a le potentiel de révolutionner le monde médical en permettant le traitement de nombreuses pathologies telles que la perte auditive, sensorielle, l’épilepsie ou encore la dépression. Cependant, il est crucial d’avoir des réglementations et des discussions éthiques sérieuses, car il existe une grande différence entre la vision de créer un dispositif médical qui restaure les fonctions et un dispositif qui augmente les fonctions humaines. Le potentiel pour aider les gens est énorme, mais cela nécessite une approche réfléchie et responsable” – Moritz Leber

Dans le vaste panorama des interfaces cerveau-ordinateur (BCIs), les diverses approches éthiques et réglementaires reflètent la diversité des perspectives mondiales sur cette technologie révolutionnaire. Chaque pays navigue avec ses propres réglementations. De même, les programmes de soutien jouent un rôle déterminant dans l’essor des BCIs, allant de la recherche fondamentale aux initiatives cliniques. Ces sujets, au cœur des enjeux qui sculptent l’avenir de ces technologies, seront abordés lors d’un prochain article. Tous nos remerciements à Moritz Leber, head of HearAgain, pour sa disponibilité, son expertise et son approche bienveillante sur le sujet. Valentine Asseman, chargée de mission pour la Science et la Technologie, Consulat Général de France à San Francisco, [email protected] Emmanuelle Pauliac-Vaujour, attachée pour la Science et la technologie, Consulat Général de France à San Francisco, [email protected] Sources:

Figure 1:Mak, J. N., & Wolpaw, J. R. (2010). Clinical Applications of Brain-Computer Interfaces: Current State and Future Prospects. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 3, 187–199. https://doi.org/10.1109/RBME.2009.2035356 Figure 2: Evolution of brain–computer interface publications. (Data collected from Scopus on 26 August 2022.). Maiseli, B., Abdalla, A. T., Massawe, L. V., Mbise, M., Mkocha, K., Nassor, N. A., Ismail, M., Michael, J., & Kimambo, S. (2023). Brain–computer interface: trend, challenges, and threats. Brain Informatics, 10(1), 20. https://doi.org/10.1186/s40708-023-00199-3 Figure 3: President shares monumental handshake with paralyzed man Figure 4: (Data collected from Scopus on 26 August 2022.). Maiseli, B., Abdalla, A. T., Massawe, L. V., Mbise, M., Mkocha, K., Nassor, N. A., Ismail, M., Michael, J., & Kimambo, S. (2023). Brain–computer interface: trend, challenges, and threats. Brain Informatics, 10(1), 20. https://doi.org/10.1186/s40708-023-00199-3 Figure 5: Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V., Martel, F., Karakas, S., Intering, N., Vat, M., Faivre, O., Harte, C., Komi, S., Ravier, J., Collin, T., Coquoz, L., Sakr, I., Baaklini, E., Hernandez-Charpak, S. D., Dumont, G., Buschman, R., Buse, N., Denison, T., van Nes, I., Asboth, L., Watrin, A., Struber, L., & Courtine, G. (2023). Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature, 618, 126–133. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05587-9