Repousser les limites des logiciels d’interface cerveau-ordinateur

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Le neuroscientifique Sumner Norman et AE Studio développent des outils open source et gratuits pour l’espace de l’interface cerveau-ordinateur (BCI).

La technologie BCI est devenue l’un des domaines les plus en vogue de la technologie médicale. Les entreprises développent une multitude de méthodes avec leurs propres systèmes qui permettraient aux patients de contrôler un ordinateur avec leur cerveau. Une telle technologie pourrait permettre aux personnes immobiles de contrôler un curseur de souris, un clavier, un appareil mobile/une tablette, un fauteuil roulant ou une prothèse en pensant uniquement.

« Mon objectif est de redonner des capacités à ceux qui les ont perdues et, éventuellement, d’améliorer la façon dont nous interagissons tous avec la technologie et les uns avec les autres, l’interface homme-machine ultime », a déclaré Norman. Conception médicale et externalisation. « Et quoi de plus humain que notre cerveau, l’organe qui contient chacune de nos mémoires, pensées et intentions ? »

L’expérience de Norman comprend la conception d’interfaces haptiques pour la robotique téléopérée et la robotique exosquelette pour aider à la récupération motrice après des blessures neurologiques comme un accident vasculaire cérébral. Au cours de son doctorat. études, il a utilisé les BCI pour apprendre aux patients à créer des états cérébraux grâce à un processus appelé neurofeedback. Il a déclaré que la méthode produisait de bons résultats mais qu’elle était limitée en termes d’efficacité et de coût/disponibilité.

Cependant, ses expériences avec les BCI l’ont amené à chercher des moyens d’en construire de meilleures. Cela inclut des améliorations du matériel, des logiciels et des protocoles, a-t-il déclaré. Norman a passé les cinq dernières années à développer du matériel basé sur les ultrasons pour lire les signaux cérébraux. Cette méthode est maintenant en train de passer à l’usage humain, a-t-il déclaré.

« Chez AE studio, nous repoussons les limites du logiciel BCI », a déclaré Norman. « Nous développons des outils open-source et gratuits pour réduire les barrières à l’entrée afin de contribuer à la neurotechnologie et d’accélérer au maximum les chercheurs de tous horizons. Nous travaillons également avec des leaders de l’industrie de la fabrication de matériel BCI pour débloquer toutes les performances possibles.

Sumner Norman.

Qu’est-ce que la BCI et pourquoi gagne-t-elle en popularité ?

Norman considère les BCI comme « un concept assez simple à la base ».

Ils nécessitent une méthode de détection des effets biophysiques qui se produisent lorsque l’activité cérébrale change. À l’aide d’une électrode, vous pouvez sentir le potentiel de tension créé par les neurones lorsqu’ils « pointent ». Le comportement ou la tentative de comportement comme le mouvement de la main d’une personne doit être mesuré. Les méthodes d’apprentissage automatique trouvent ensuite la corrélation entre les schémas cérébraux et le comportement.

« Une fois que ce ‘décodeur’ est assez bon, nous pouvons mesurer l’état du cerveau pour déduire le comportement prévu sans mesurer directement le comportement », a déclaré Norman. «Nous transformons ensuite ce comportement prévu en commandes. … Au fil du temps, l’utilisateur apprend et s’adapte pour contrôler le BCI plus directement.

Les BCI représentent « la dernière frontière » dans l’interaction homme-machine, a déclaré Norman. Avec une partie importante du monde qui passe déjà une grande partie de sa vie connectée à Internet, il s’agit maintenant de « se réveiller aux possibilités ». Les progrès de l’apprentissage automatique, de l’architecture cloud et de la puissance informatique de pointe signifient que les BCI sont possibles. Ce ne sont plus de la science-fiction, ce ne sont que de la science.

« Tout comme Internet, ils ont le potentiel de changer complètement notre façon de vivre, de travailler et d’interagir », a déclaré Norman. « Et pourtant, nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui est possible aujourd’hui. C’est excitant. »

Qui sont les acteurs de l’espace ?

Certains gros frappeurs ont investi leurs ressources dans le développement de la technologie BCI. Cela inclut Neuralink d’Elon Musk et Reality Labs de Meta. Cependant, un certain nombre d’entreprises sans le soutien d’un milliardaire comme Musk ou d’un Mark Zuckerberg ont elles-mêmes ouvert la voie.

Les tests de la technologie de Blackrock Neurotech sont en cours sur des patients humains depuis près de 20 ans. En 2021, Blackrock a reçu la désignation de dispositif révolutionnaire de la FDA pour son système MoveAgain BCI. Il offre aux patients immobiles la possibilité de contrôler une gamme d’appareils en pensant uniquement. Blackrock est un exemple d’entreprises collaborant avec AE pour faire progresser la technologie BCI.

Pendant ce temps, Synchron développe l’implant d’interface cerveau-ordinateur (BCI) Stentrode fourni par cathéter. La société pense qu’elle est la seule société BCI à puiser dans les vaisseaux sanguins pour capter les signaux du cerveau. Synchron a des essais pour sa technologie en cours sur plusieurs sites, avec des implants humains déjà réalisés.

Neuralink et Reality Labs « capturent les gros titres, bien sûr, mais des groupes comme Paradromics, Synchronand Blackrock Neurotech, sont sans doute mieux placés pour capturer la première génération d’utilisateurs de BCI », a déclaré Norman. « Alors que Neuralink continue de faire pression pour ses premiers tests sur l’homme, les dispositifs Blackrock ont ​​déjà été implantés chez près de 40 humains, et Synchron est au cœur de son premier essai clinique. »

Pourtant, Norman dit que la première génération d’utilisateurs de BCI sera limitée à ceux qui souffrent de formes graves de lésions et de maladies neurologiques. C’est parce que la bande passante BCI est trop lente ou que les coûts sont trop élevés, a-t-il déclaré. Cependant, cela change.

« Les vrais gagnants seront ceux qui créeront le matériel et le logiciel BCI qui justifieront leur utilisation par des personnes souffrant de lésions et de maladies neurologiques légères à modérées et/ou de troubles psychiatriques et cognitifs, et qui permettront finalement une utilisation pour tous », a déclaré Norman. « La plupart des groupes qui progressent dans la construction de la prochaine génération de BCI ne font pas encore la une des journaux. »

Qu’est-ce qu’AE Studio et comment contribue-t-il au développement de BCI ?

Fondée en 2016, l’objectif d’AE est d’accroître l’action humaine grâce à la technologie. Il vise à développer un système d’exploitation BCI pour augmenter au maximum l’agence humaine. Norman a déclaré que la société souhaitait éviter un avenir dans lequel le « couronnement » de BCI serait l’augmentation des dépenses de consommation.

AE aide les startups et les entreprises clientes à développer leurs logiciels avec des conseils en science des données et en développement de logiciels. Certains revenus sont canalisés vers le développement de logiciels BCI, a déclaré Norman.

Pour le logiciel BCI, AE construit des modèles qui, selon Norman, sont « robustes, plus efficacement calibrés, plus facilement mis à l’échelle et plus facilement déployés ». Les données dans le domaine BCI sont complexes, a-t-il déclaré. Les experts estiment qu’environ 86 milliards de neurones existent dans le cerveau, chaque neurone étant connecté à environ 1 000 neurones voisins.

Les BCI d’aujourd’hui s’interfacent avec « seulement » des centaines de milliers de neurones, a déclaré Norman. Cependant, ces neurones peuvent dériver vers et hors de vue d’une électrode, forçant le BCI à ne pas être calibré. Il a expliqué que la plupart des utilisateurs de BCI doivent recalibrer toutes les quelques heures. L’un des projets d’AE stabilise les décodeurs sur de longues périodes pour moins de temps à calibrer, ce qui comprend un exercice fastidieux de divers comportements instruits.

Norman a déclaré que le véritable potentiel d’une technologie de plate-forme réside dans les données de l’utilisateur. Cependant, l’un des domaines d’intérêt d’AE est centré sur la protection de la vie privée dans ce sens.

« Chez AE, nous construisons des outils aujourd’hui, alors que le nombre d’utilisateurs est petit, pour protéger tous les utilisateurs à mesure que leur nombre augmente », a déclaré Norman. « À titre d’exemple, nous construisons actuellement un outil qui nous permet de former des modèles d’apprentissage automatique sophistiqués qui bénéficient de nombreux utilisateurs sans jamais exiger que les données quittent l’appareil des utilisateurs. Lorsque la confidentialité permet la performance, tout le monde y gagne.

L’avenir des BCI

Norman a déclaré que la première génération de BCI commerciaux se concentrera sur l’intention motrice. Un exemple de première étape consisterait à remplacer une souris d’ordinateur par un curseur contrôlé par BCI. Pourtant, des questions subsistent quant à l’apport du contrôle BCI pour remplacer quelque chose comme un clavier en raison de difficultés à reproduire ou à améliorer la vitesse de dix doigts sur un clavier.

La « parole silencieuse » est le Saint Graal de la BCI, a déclaré Norman, car la parole reste la méthode de communication la plus rapide entre les humains. Il y a encore beaucoup d’obstacles à franchir avant que la parole silencieuse puisse être intégrée dans une BCI commerciale.

Une autre classe de BCI repose sur la capacité «d’écrire» des informations dans le cerveau au lieu de les lire. Si les BCI s’étendent là-bas, a déclaré Norman, les implants cochléaires pour les sourds représentent « probablement la modalité BCI la plus percutante » à ce jour. Ainsi, redonner la vue aux aveugles offre un autre espace dans lequel BCI pourrait s’installer.

Norman a expliqué que, à mesure que le matériel BCI évolue pour interagir avec le cerveau, il en va de même pour leur espace d’application.

« La prochaine génération de BCI sera polyvalente, améliorant considérablement leur proposition de valeur », a déclaré Norman. « Et si suffisamment de personnes ont des BCI, nous pouvons tester de nombreuses autres approches que nous n’avons même pas encore imaginées. »