Elena Pitsik— Chercheur junior au Laboratoire de Neurosciences et Technologies Cognitives de l’Université
Communication entre l'ordinateur et le cerveau
Une interface cerveau-ordinateur est un système qui permet une interaction entre le cerveau et un ordinateur.Il ouvre un canal de communication entre le cerveau etordinateur et leur permet d'échanger des informations entre eux. L'exemple le plus simple est la génération de commandes pour un appareil externe utilisant l'activité cérébrale. Un appareil externe peut être un ordinateur, une application, un robot, un drone, une prothèse, un exosquelette ou autre. La portée de ces interfaces est très large.
La partie la plus importante de l'interface est la technologie d'enregistrement des signaux biologiques du cerveau.Il existe de nombreuses technologies qui peuvent êtreappliquer dans les interfaces. Les signaux d'activité électrique sont enregistrés à l'aide d'un amplificateur - un électroencéphalographe. Ils sont transmis au serveur qui traite ces signaux. Il existe de très petites interfaces compactes qui utilisent la technologie sans fil. Il y a littéralement une petite puce. Mais si vous envisagez d’utiliser l’interface dans un cadre clinique (pour la rééducation post-AVC, par exemple), vous souhaiterez probablement disposer de nombreux canaux et du Big Data. Le traitement du Big Data nécessite beaucoup de ressources informatiques, c'est pourquoi le plus souvent, un ordinateur séparé doté d'un logiciel spécial est utilisé. Et une fois que ce logiciel a traité le signal cérébral, celui-ci est traduit en commandes pour un appareil externe, fournissant un retour d'information. Au lieu d'un moniteur classique, il peut y avoir n'importe quoi : d'une application pour surveiller votre humeur à un système de contrôle de robot.
Les interfaces cerveau-ordinateur peuvent être divisées en trois types principaux.Premièrement, il s'agit d'une interface neuronale active, quiimplique que l'utilisateur contrôle directement et consciemment un appareil ou une application externe. La neurointerface est l'activité cérébrale que l'utilisateur génère, lit, traite et convertit en commandes. Le deuxième type est une interface neuronale réactive. Dans ce document, l'activité cérébrale n'est pas produite consciemment par le cerveau, mais est stimulée par des influences externes - lumière, son, sensations tactiles, commandes. Par exemple, des images ou une stimulation sonore qui déclenchent une certaine réponse dans notre esprit. Et nous ne pouvons pas générer consciemment cette réponse sans un stimulus externe, nous avons donc besoin d’une sorte de retour d’information. Une interface cerveau-ordinateur recherche cette réponse à un stimulus externe dans notre cerveau et l'utilise pour générer des commandes et contrôler un appareil externe ou pour profiler les commentaires. Le troisième type d’interface neuronale est une interface neuronale passive. Le plus complexe et le plus incompréhensible, car il n’implique aucune génération de commandes pour un périphérique externe ni aucun contrôle. Cette interface s'assoit passivement sur vous et surveille votre état pendant vos activités quotidiennes. Autrement dit, vous lisez, travaillez, conduisez une voiture et l’interface neuronale vous surveille. Il peut être utilisé pour suivre votre niveau d'attention, votre concentration, votre fatigue, votre charge cognitive, et également vous donner des informations sur votre état.
Neuroréadaptation et autres utilisations des interfaces
La neurointerface revêt une grande importance sociale pour le développement de divers systèmes de rééducation et l’amélioration de la qualité de vie des personnes ayant des besoins supplémentaires.Comme les personnes atteintes du syndrome d'enfermement -ils perdaient toute possibilité de contact avec le monde extérieur, mais conservaient en même temps leur conscience ; Ce sont des personnes complètement paralysées qui ne peuvent ni parler, ni bouger, ni même bouger les yeux. Ainsi, ils n’ont pas d’autres options de communication que l’utilisation d’interfaces neuronales pour lire leur activité cérébrale et la traduire en commandes spécifiques. Ces commandes peuvent être la génération vocale, le contrôle de diverses applications afin de maintenir les fonctionnalités quotidiennes, ainsi que d'assurer une communication de base avec d'autres personnes. Une maladie moins grave est la paralysie partielle. Par exemple, les personnes en fauteuil roulant qui ne peuvent pas marcher, ou diverses parésies après un accident vasculaire cérébral ou à la suite d'une blessure. Dans le cas d'une paralysie, si elle est incurable, la qualité de vie d'une telle personne peut être améliorée en lui fournissant une sorte d'exosquelette ou d'orthèse pouvant être contrôlée à l'aide d'une interface neuronale. C’est l’un des domaines les plus populaires dans le développement d’interfaces neuronales.
L’application la plus populaire des interfaces neuronales en médecine est la neurorééducation.C'est l'occasion d'accélérer le processus de réhabilitationune personne après une blessure ou un accident vasculaire cérébral utilisant un entraînement avec une interface « cerveau-ordinateur », qui consiste à soutenir l'activité motrice, c'est-à-dire une série de mouvements imaginaires. De nombreuses études ont montré que de telles interfaces accélèrent et améliorent considérablement le processus de rééducation des personnes, en rétablissant leurs fonctions motrices perdues.
Récemment, les interfaces cerveau-ordinateur ont pénétré le marché grand public et ont gagné un public plus large.Aujourd'hui, l'interface neuronale peut être achetée sur eBay pourpeu d'argent, cela coûtera encore moins cher qu'un smartphone. Tout d’abord, ils sont utilisés à des fins de divertissement – dans l’industrie du jeu. Très souvent également, les interfaces neuronales sont utilisées pour surveiller divers états - humeur ou phases de sommeil. Les interfaces neuronales pour la méditation aident une personne à se détendre et la guident en fonction des résultats du suivi de son activité cérébrale. Des dispositifs similaires sont également utilisés pour développer divers systèmes d'entraînement des compétences cognitives - attention, concentration ou charge cognitive. Il s’agit d’un domaine important car il peut être utilisé, par exemple, dans le développement de systèmes de charge cognitive pour les pilotes d’avion et les chauffeurs de camion.
Qu'est-ce que le cerveau et comment mesurer son activité
Vous et moi sommes notre cerveau.Le cerveau est constitué de cellules appeléesneurones. Et chaque neurone est constitué d'un noyau, d'un corps et de divers processus qui assurent sa communication avec d'autres neurones - ce sont des dendrites, des axones et un terminal (une continuation de l'axone pour la communication avec d'autres neurones - "High-Tech"). Un neurone est une structure assez simple, mais il y a des milliards de neurones dans la tête. Ainsi, ensemble, ils créent un vaste réseau capable de traiter des ensembles de données complexes et de subvenir à nos besoins en tant qu'individus.
Le cerveau est un supercalculateur, c'est-à-dire un système capable de traiter d'énormes quantités d'informations.Les neurones interagissent principalement entre euxdeux manières - l'électricité et les liaisons chimiques. Un signal électrique est produit par un neurone et transmis via un axone aux synapses (connexions entre neurones - « High-Tech ») d'un autre neurone. Lorsqu’un signal électrique arrive à la sortie d’un neurone, il est converti en messages chimiques appelés neurotransmetteurs. Et ils sont transmis de la sortie d'un neurone à l'entrée d'un autre, qui, à son tour, les reçoit, les traite, les transforme en signal électrique et les transmet plus loin dans cette chaîne. Un neurone peut soit recevoir et transmettre un signal électrique à travers lui, soit l'éteindre, ne pas le recevoir et interrompre la chaîne. Chacune de nos activités forme un réseau de neurones qui clignotent en permanence, formant un certain modèle qui nous permet de traiter de nombreux types actifs d'activité humaine.
Il existe plusieurs méthodes pour mesurer l'activité électrique du cerveau.Premièrement, il s'agit de l'encéphalographie magnétique,qui consiste à mesurer les champs électromagnétiques résultant de l’activité électrique dans le cerveau. Une machine MEG est un grand appareil dans lequel une personne est assise immobile car les électrodes qui lisent le champ magnétique ne sont pas placées sur la tête, mais sont situées à une certaine distance de celle-ci. Le MEG est très sensible à diverses interférences externes, notamment au champ magnétique terrestre et à d’autres champs magnétiques dont toute notre réalité est littéralement remplie. Par conséquent, pour que le MEG fonctionne correctement, il doit être placé dans une pièce blindée. Une autre méthode est la spectroscopie proche infrarouge. Il s'agit d'une technologie de neuroimagerie qui nous permet de visualiser les processus qui se déroulent dans le cerveau. Il utilise la lumière infrarouge pour mesurer la concentration d’oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine. L'appareil se compose d'un capuchon auquel sont fixés des cylindres, étroitement adjacents à la surface du cuir chevelu et divisé en deux types - source et détecteur. La source émet un faisceau de lumière dans la plage infrarouge. Cette lumière traverse la peau, le crâne et la couche supérieure du cortex, c'est-à-dire le cerveau. Il traverse, retourne à la surface du cuir chevelu et est capté par le détecteur. De plus, tout ce que l’on peut voir contient des informations très importantes sur le niveau d’oxygène dans le sang. Lorsque nous effectuons une action, comme tapoter, notre sang dans la zone motrice est saturé d'oxygène. Nous pouvons mesurer cela et le définir comme un modèle. La prochaine technologie est l’électroencéphalographie, la plus efficace d’entre elles. Il peut être utilisé dans une interface neuronale car il est relativement peu coûteux et assez simple. J'ai mis un capuchon, fait tournoyer les électrodes, les ai lubrifiées avec de la pâte - et elles ont fonctionné. Une installation EEG - un électroencéphalographe - est aussi un chapeau que l'on place sur la tête d'une personne. Il est nécessaire d’appuyer plus étroitement les électrodes sur la tête de la personne et de les positionner correctement.
Pourquoi les interfaces neurales seraient-elles intégrées dans le cerveau
Les électroencéphalographes sont différents.Ils écrivent des signaux avec différentes résolutions et ontnombre différent de canaux. Les EEG sont également de deux types. Fondamentalement, il existe des EEG invasifs et non invasifs. Un EEG invasif implique une intervention chirurgicale pour ouvrir votre crâne et placer des électrodes directement sur la surface de votre cerveau. Il est clair que cette technologie n’est pas utilisée chez l’homme. Il est principalement utilisé en science animale pour étudier leur activité, très similaire à l’activité humaine. Le signal EEG, qui est lu directement à partir de la surface du cortex et d’un très petit groupe de neurones, a de meilleures performances que la technologie non invasive. Parce qu’il est exempt de divers artefacts caractéristiques de l’EEG.
Il y a des domaines dans lesquels les interfaces invasives sont très importantes et en fait la seule technologie qui peut soulager l'état d'une personne.Par exemple, c'est l'épilepsie.Notre laboratoire étudie un type d'épilepsie appelé épilepsie d'absence. Il s’agit d’une épilepsie qui n’est pas associée à des convulsions. Une personne n'éprouve pas de convulsions lors d'une attaque, elle se déconnecte simplement du monde pendant un moment. Et il ne sait pas qu'il est déconnecté. Cette condition est également très dangereuse, malgré le fait qu’il n’y a pas de manifestations extérieures autres que le fait que la personne s’est déconnectée de la réalité. Parce qu'il peut, par exemple, ne pas savoir qu'il souffre d'épilepsie d'absence et s'évanouir en conduisant. Par conséquent, il est également très important de prévenir toutes les attaques, et l’interface peut l’empêcher. Lorsqu'une personne a une crise, premièrement, différents rythmes cérébraux sont synchronisés - c'est très facile à détecter. De plus, une attaque est précédée d'un certain type d'activité : quelque temps avant l'attaque, nous pouvons déterminer ce qui se passera ensuite. Lorsque l’interface neuronale détecte cela, elle peut envoyer des impulsions au cerveau qui aident à supprimer cette attaque. Dans le même temps, une personne qui porte régulièrement cette interface ne ressentira rien et ne saura pas qu’elle était sur le point d’avoir une attaque.
Le masque Neuralink Ilona est différent des autresneurointerfaces invasives en ce que les électrodes qui écrivent l'EEG sont situées sur des filaments très minces (plus fins qu'un cheveu humain), et de nombreuses électrodes sont situées sur un filament.Il est possible d'enregistrer jusqu'à 3 mille électrodes.Il s’agit d’une énorme quantité de données. Étant donné qu’ils sont situés sur le cortex, ils sont très petits et écrivent un signal provenant d’un petit groupe de neurones. De cette façon, nous pouvons détecter une activité très subtile.
La technologie de Mask résout partiellement le problème courant lors de l'utilisation de l'EEG non invasif - propagation du champ (de l'anglais "electric field force" - "Hi-tech").Lorsque nous rédigeons un EEG non invasif, nous superposonsélectrode sur la tête, et il enregistre à partir d'un grand groupe de neurones. Il génère un champ énergétique général. Les champs électriques de différents neurones se chevauchent et interfèrent les uns avec les autres. Ainsi, lorsque nous écrivons un certain type d’activité, nous avons en réalité de nombreuses activités différentes, ce qui interfère avec le traitement. Et un très gros problème avec toutes les interfaces invasives est que notre corps ne veut pas que des objets étrangers y soient introduits.
Un EEG non invasif est un EEG que nous utilisons en permanence.Il s'agit essentiellement d'électrodes placées sursurface de la tête avec un capuchon. Chaque électrode enregistre l'activité d'un groupe spécifique de neurones. L'emplacement des électrodes est très important car il influence grandement le résultat du traitement.
Un électroencéphalogramme est un signal électrique.Le traitement de ce signal est une tâche de la radiophysique.Nous pouvons utiliser des techniques d'analyse conventionnelles pour isoler les caractéristiques de ce signal. Notre tâche est de mettre en évidence certains modèles qui correspondent à ce mouvement.
Les principales difficultés de création d'interfaces neuronales
Pourquoi est-il si difficile de créer une interface neuronale ?Parce que ce sont des tâches très difficiles :traiter l’EEG et identifier les modèles. Ils nécessitent une approche intégrée et prudente. D’abord parce que chaque personne est individuelle, tout comme son cerveau. Même les jumeaux homozygotes ont des cerveaux très différents, comme les empreintes digitales. Nous ne pouvons pas créer un système universel qui fonctionne de la même manière pour tous. Il doit être ajusté, calibré et constamment modifié pour chacun. La raison suivante concerne les spécificités de la tâche. Chaque personne peut accomplir différemment la même tâche et cumuler des activités différentes. L'emplacement des capteurs est également un facteur humain. Dans différentes expériences, les capteurs peuvent être positionnés légèrement différemment, mais cela est également très important, car ils écriront une activité différente. Une autre raison est la dynamique non stationnaire du cerveau à toutes les échelles de temps. Cela signifie qu’il évolue constamment à toutes les échelles de temps. Nous pouvons prendre une grande partie du signal EEG, le décomposer en secondes, et chaque seconde sera différente. Les cerveaux changent, évoluent et s’adaptent constamment à leur environnement externe. Un problème important est le niveau élevé de bruit dans les enregistrements et les artefacts EEG. Parce que nous plaçons des électrodes à la surface du cuir chevelu et en dessous, entre la peau et le crâne, se trouvent des fibres musculaires qui travaillent, bougent et créent une sorte d'artefacts moteurs sur le signal EEG. De plus, nous bougeons constamment les yeux, clignons des yeux, et tout cela guide également l'EEG, qui est visible non seulement sur les canaux du front, mais également à l'arrière de la tête. En plus, notre cœur bat. Les artefacts cardiaques sont présents sur l’EEG chez presque toutes les personnes. Ils résultent de la pulsation du sang dans les vaisseaux sous la peau.
Il existe des méthodes intéressantes qui nous aident à nous débarrasser de tous les artefacts.Vous pouvez supprimer des artefacts ou les filtrer.Il existe des méthodes qui vous permettent de supprimer les composants correspondant au rythme cardiaque, aux artefacts oculomoteurs et de filtrer le signal EEG dans la plage dont nous avons besoin. Ensuite, l’analyse temps-fréquence est utilisée comme méthode d’analyse du signal. Nous évaluons l'énergie de chaque rythme et voyons lequel contient une dynamique associée à l'effet que nous recherchons. L'analyse temps-fréquence comprend les ondelettes, l'analyse de Fourier, etc.
L'étape suivante consiste à établir des connexions fonctionnelles entre différentes zones du cerveau.Quand on fait quelque chose (on bouge les mains,imaginez les mouvements des mains), nos régions cérébrales interagissent de manière synchrone ou désynchronisée. Ils s’influencent mutuellement lors de cette interaction. Sur la base de ces influences, il est possible de construire un réseau de connexions fonctionnelles qui décrit quelles connexions sont renforcées et lesquelles sont affaiblies, et sur cette base, nous pouvons tirer une conclusion sur la façon dont notre activité est construite et traitée par les neurones à une échelle de le cerveau tout entier. Les réseaux de neurones artificiels sont ici les plus prometteurs car ils fonctionnent rapidement et reposent sur un modèle biologique de neurones.
Le signal EEG est une structure complexe comportant de nombreux composants, mais sa complexité change avec le temps et en fonction de ce que nous faisons.De la dynamique de cette complexité, nous pouvons comprendre quese produit, évaluez-le, classifiez-le et créez une sorte de classificateur sur cette base. Un exemple spécifique est la suppression d’artefacts. Disons que nous avons un signal EEG multicanal et qu'il montre des artefacts qui génèrent des interférences sur presque tous les canaux. Et ils ressemblent à des artefacts oculomoteurs. Ils sont supprimés à l’aide de la méthode des composants indépendants. Chaque signal est décomposé en plusieurs composants qui contiennent leurs propres informations. L’un d’eux contient quelque chose dont nous n’avons pas besoin dans le signal : le même artefact oculomoteur. Nous le prenons et le jetons. Nous obtenons un signal clair et plus informatif contenant ce dont nous avons besoin. La filtration est une chose fondamentale.
Un signal peut être filtré dans différentes plages de fréquences.Rythme alpha (8-14 Hz) et rythme bêta (15-30 Hz) -ce sont les deux rythmes cérébraux, les deux composantes de fréquence, qui contiennent le plus d’informations sur la façon dont le cerveau traite l’activité motrice. Si nous voulons classer des mouvements imaginaires ou réels, nous nous tournons vers les rythmes alpha et bêta et recherchons un motif sur eux.
Trouver un modèle est une tâche de classification.Pour regarder le modèle, nous pouvonsutiliser la méthode d’analyse temps-fréquence. Le modèle est l'activité motrice sur l'EEG, et le plus souvent cité est la désynchronisation liée à un événement. Nous prenons l'activité du rythme alpha. Il contient de nombreuses informations sur la façon dont nous nous déplaçons. Cette information est la suivante : lorsque nous effectuons un mouvement, le nombre de neurones impliqués dans le traitement de l'information diminue. Ainsi, le rythme alpha est supprimé. Son amplitude diminue et il génère moins d'énergie. Cette suppression du rythme alpha se poursuit tout au long du mouvement. Si l’on constate que le rythme alpha a baissé, on peut dire qu’un mouvement s’est produit à ce moment-là. Par exemple, une personne serre le poing. Le rythme alpha chute, son énergie diminue. Il se désynchronise et on le voit. Ensuite, la personne desserre la main et le rythme alpha est restauré et revient à son état normal. Tout le problème est que la désynchronisation est clairement visible dans les données moyennées. Nous prenons plusieurs mouvements, calculons la surface des ondelettes pour chacun, faisons la moyenne et obtenons une image lumineuse. On prend un mouvement, on compte sa surface d'ondelette et on ne voit rien. On ne comprend rien car ce mouvement est un effet très subtil.
Voir aussi:
Voyez à quoi ressemble l'été sur Saturne
Il y avait une photo de la façon dont la poussière du désert «coule» dans l'océan Atlantique
Découvrez ce que le télescope successeur de Hubble peut voir dans l'espace