Des chercheurs ont créé un dispositif capable de lire et de déchiffrer les signaux du cerveau, permettant aux amputés de contrôler le bras en utilisant uniquement leurs pensées.
Une équipe de recherche de l’Université du Minnesota a rendu possible la lecture des pensées grâce à l’électronique et à l’IA.
Des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities ont créé un système qui permet aux personnes amputées de faire fonctionner un bras robotique en utilisant les impulsions de leur cerveau plutôt que leurs muscles. Cette nouvelle technologie est plus précise et moins intrusive que les méthodes précédentes.
La majorité des membres prothétiques commerciaux actuellement sur le marché sont contrôlés par les épaules ou la poitrine à l’aide d’un système de fil et de harnais. Des modèles plus sophistiqués utilisent des capteurs pour détecter les petits mouvements musculaires du membre naturel du patient au-dessus de la prothèse. Ces deux options, cependant, peuvent être difficiles à apprendre pour les amputés et sont parfois peu utiles.
Zhi Yang, professeur associé au département de génie biomédical de l’université du Minnesota, serre la main d’un participant à la recherche, Cameron Slavens, qui a testé le système de bras robotisé des chercheurs. Avec l’aide de collaborateurs industriels, les chercheurs ont mis au point un moyen de capter les signaux du cerveau d’un patient par le biais d’une puce neuronale implantée dans le bras, ce qui permet de lire efficacement l’esprit du patient et ouvre la voie à des solutions moins invasives que les opérations du cerveau. Crédit : Neuroelectronics Lab, Université du Minnesota
Le département de génie biomédical de l’université du Minnesota, avec l’aide de collaborateurs industriels, a mis au point un minuscule dispositif implantable qui se connecte au nerf périphérique du bras d’une personne. Cette technologie, associée à un bras robotisé et à un ordinateur d’intelligence artificielle, peut détecter et déchiffrer les impulsions cérébrales, permettant ainsi aux personnes amputées d’un membre supérieur de bouger le bras uniquement par la pensée.
L’article le plus récent des chercheurs a été publié dans l’édition du Journal of Neural Engineeringune revue scientifique évaluée par des pairs pour le domaine interdisciplinaire de l’ingénierie neuronale.
La technologie de l’équipe dirigée par l’Université du Minnesota permet au participant à la recherche Cameron Slavens de déplacer un bras robotique en utilisant uniquement ses pensées. Crédit : Eve Daniels
“C’est beaucoup plus intuitif que n’importe quel système commercial existant”, a déclaré Jules Anh Tuan Nguyen, chercheur postdoctoral et titulaire d’un doctorat en génie biomédical de l’Université du Minnesota Twin Cities. “Avec les autres systèmes de prothèses commerciaux, lorsque les amputés veulent bouger un doigt, ils ne pensent pas réellement à bouger un doigt. Elles essaient d’activer les muscles de leur bras, puisque c’est ce que le système lit. Pour cette raison, ces systèmes nécessitent beaucoup d’apprentissage et de pratique. Pour notre technologie, comme nous interprétons directement le signal nerveux, elle connaît l’intention du patient. S’il veut bouger un doigt, il lui suffit de penser à bouger ce doigt.”
Nguyen travaille sur cette recherche depuis environ 10 ans avec le professeur associé Zhi Yang du département d’ingénierie biomédicale de l’Université du Minnesota et a été l’un des principaux développeurs de la technologie de la puce neuronale.
Associée à un ordinateur d’intelligence artificielle et au bras robotique ci-dessus, la puce neuronale des chercheurs de l’université du Minnesota peut lire et interpréter les signaux du cerveau, permettant ainsi aux personnes amputées des membres supérieurs de contrôler le bras en utilisant uniquement leurs pensées. Crédit : Neuroelectronics Lab, Université du Minnesota
Le projet a débuté en 2012 lorsque Edward Keefer, un neuroscientifique de l’industrie et PDG de Nerves, Incorporated, a approché Yang au sujet de la création d’un implant nerveux qui pourrait bénéficier aux amputés. Le duo a reçu un financement de la part de la Defense Advanced Research Projects Agency du gouvernement américain. L’Agence pour les projets de recherche avancée du gouvernement américain (DARPA) and have since conducted several successful clinical trials with real amputees.
The researchers also worked with the University of Minnesota Technology Commercialization office to form a startup called Fasikl—a play on the word “fascicle” which refers to a bundle of nerve fibers—to commercialize the technology.
“The fact that we can impact real people and one day improve the lives of human patients is really important,” Nguyen said. “It’s fun getting to develop new technologies, but if you’re just doing experiments in a lab, it doesn’t directly impact anyone. That’s why we want to be at the University of Minnesota, involving ourselves in clinical trials. For the past three or four years, I’ve had the privilege of working with several human patients. I can get really emotional when I can help them move their finger or help them do something that they didn’t think was possible before.”
A big part of what makes the system work so well compared to similar technologies is the incorporation of artificial intelligence, which uses machine learning to help interpret the signals from the nerve.
“Artificial intelligence has the tremendous capability to help explain a lot of relationships,” Yang said. “This technology allows us to record human data, nerve data, accurately. With that kind of nerve data, the AI system can fill in the gaps and determine what’s going on. That’s a really big thing, to be able to combine this new chip technology with AI. It can help answer a lot of questions we couldn’t answer before.”
The technology has benefits not only for amputees but for other patients as well who suffer from neurological disorders and chronic pain. Yang sees a future where invasive brain surgeries will no longer be needed and brain signals can be accessed through the peripheral nerve instead.
Plus, the implantable chip has applications that go beyond medicine.
Right now, the system requires wires that come through the skin to connect to the exterior AI interface and robotic arm. But, if the chip could connect remotely to any computer, it would give humans the ability to control their personal devices—a car or phone, for example—with their minds.
“Some of these things are actually happening. A lot of research is moving from what’s in the so-called ‘fantasy’ category into the scientific category,” Yang said. “This technology was designed for amputees for sure, but if you talk about its true potential, this could be applicable to all of us.”
In addition to Nguyen, Yang, and Keefer, other collaborators on this project include Associate Professor Catherine Qi Zhao and researcher Ming Jiang from the University of Minnesota Department of Computer Science and Engineering; Professor Jonathan Cheng from the University of Texas Southwestern Medical Center; and all group members of Yang’s Neuroelectronics Lab in the University of Minnesota’s Department of Biomedical Engineering.
Reference: “A portable, self-contained neuroprosthetic hand with deep learning-based finger control” by Anh Tuan Nguyen, Markus W Drealan, Diu Khue Luu, Ming Jiang, Jian Xu, Jonathan Cheng, Qi Zhao, Edward W Keefer and Zhi Yang, 11 October 2021, Journal of Neural Engineering.
DOI: 10.1088/1741-2552/ac2a8d
