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20 Decembre 2000
Par Christophe Jacquemin
Les mouvements d'un robot commandés par le
cerveau d'un singe
Des travaux menés par une équipe de chercheurs
de la Duke University (Caroline du Nord) montrent que l'analyse
des signaux électriques du cerveau d'un singe, enregistrés
lors d'une action spécifique comme celle d'attraper un objet,
permet de faire reproduire ce même mouvement par un robot.
Ces résultats, publiés récemment dans la revue
Nature, ouvrent de nouvelles perspectives aux personnes amputées
ou souffrant de paralysie. Les recherches pourraient en effet, à
terme, conduire à la mise au point de prothèses contrôlées
par la pensée.
L'équipe de Johan Wessberg et de Miguel
Nicolelis de la Duke
University aux Etats-Unis vient de mettre au point un système
informatique permettant de coupler l'activé cérébrale
du singe à celle d'un robot, y compris à distance.
Ces résultats, parus récemment dans la revue Nature
(voir références en fin de texte), décrivent
une expérience dans laquelle les chercheurs ont étudié
les signaux cérébraux émis par deux petits
singes d'Amazonie (Aotus trivirgatus,) lors d'actions déterminées
faisant intervenir le mouvement de leurs bras. L'étude a
respectivement duré pendant un an pour l'un, et deux ans
pour l'autre, portant d'abord sur des mouvements à une dimension,
puis à trois dimensions (les singes ayant été
dressés pour effectuer les gestes d'une manière précise).
Une série de microélectrodes a été placée
dans cinq zones du cortex cérébral de l'un des singes
(et de deux pour l'autre), régions du cerveau connues pour
contrôler les mouvements des membres supérieurs.
Les données transférées sur ordinateur ont
pu être analysées et corrélées -- via
modèles mathématiques et réseaux neuronaux
artificiels -- avec le type de gestes effectués par les singes,
menant à un programme de prédiction fiable du mouvement
à partir de l'analyse des signaux enregistrés. Dès
lors, à partir de l'activité cérébrale,
le système peut identifier en temps réel le geste
qui va en découler.
C'est ainsi que ces signaux ont été utilisés
pour faire reproduire avec succès, en simultané, le
geste par un robot. L'expérience a également fonctionné
à distance, via transmission par Internet des données
vers un autre bras mécanique situé à quelque
1000km de là, dans un laboratoire du Massachusetts Institute
of Technology (MIT).
Ce résultat est d'importance car il représente une
avancée significative dans le développement des interfaces
homme-machine.
En effet, un tel dispositif de micro-éléctrodes couplées
à un circuit intégré (assurant un enregistrement
en temps réel et une analyse mathématique) pourrait
un jour former la base d'une interface cerveau-machine. A terme,
cette technique permettrait de créer des prothèses
obéissant aux ordres du cerveau chez des personnes amputées
ou souffrant de paralysie.
© Nature :
http://www.nature.com
En a, diagramme schématique du dispositif
expérimental.
Les données recueillies émanant de l'activité
corticale des singes ont permis d'alimenter deux modèles
(l'un basé sur des algorithme linéaires, l'autre,
dit "ANN" utilisant les réseaux neuronaux), menant
à terme à une prédiction fiable en temps réel
du mouvement effectué, simplement à partir de l'enregistrement
de cette activité corticale. Le mouvement peut être
reproduit par un robot, soit en local, soit à distance via
l'envoi des données par internet.
en b et c : enregistrements simultanés de l'activité
neuronale dans cinq régions corticales pour l'un des singe
(b) et dans deux régions pour l'autre singe (c) lors de l'exécution
d'un mouvement à une dimension. PP; M1; PMd; iM1/PMd, représentent
différentes régions du cortex (PP étant, par
exemple, le cortex pariétal postérieur.)
© Nature : http://www.nature.com
Prédiction en temps réel de mouvements
de la main en 3 dimensions.
en a et b : trajectoire 3D de la main du singe 1 (a) et 2 (b) durant
des sessions expérimentales
en c : diagramme shématique des 4 locations possibles de
nourriture,
en d et e : mouvement 3D de la main (en noir : observé, en
rouge:prédit en temps réel) pour le singe 1(d) et
2(e).
en f et g : variation du coefficient de corrélation pour
les trois dimensions de l'espace (x en noir, y en bleu, x en rouge)
du mouvement en 3D de la main, à partir du modèle
linéraire.
Source : Nature du 16 novembre 2000, volume 408, pages
361 à 365 :
"Real-time
prediction of hand trajectory by ensembles of cortical neurons in
primates", par Johan Wessberg, Christopher R. Stambaugh,
Jerald D. Kralic, Pamela D. Beck, Mark Laubach, John K Chapin, Jung
Kim, S. Jammes Biggs, Mandayam A. Srinivasan et Miguel A. L. Nicolelis.
NB : Les résumés succincts en anglais (voire quelquefois
les articles complets) parus sur le site web de Nature peuvent être
obtenus, après inscription
gratuite, à l'adresse :
(attention, pour que l'inscription aboutisse, il faut absolument
cocher dans une des cases à la rubrique State/Region :* du
questionnaire, même si ce n'est pas adapté à
votre pays).
Contacts :
Johan Wessberg - wessberg@neuro.duke.edu
Miguel Nicolelis - nicoleli@neuro.duke.edu
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