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13 juin 2011
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Les incroyables perspectives ouvertes par le Brain-machine interface (BMI)

Le singe se déplaçant sur le tapis roulant à droite
commande à distance la marche bipède du robot à gauche

Imaginons une situation très simple : vous prenez un café avec quelques amis, les tasses servies viennent d'être posées par le garçon sur la table. L'un d'entre vous n'attend pas les autres. Il prend une des tasses à la main et commence à boire. Entraîné par l'exemple, sans presque y penser, vous faites de même.

Avec les techniques de plus en plus perfectionnées développées par les neurosciences, l'analyse des circuits nerveux impliqués dans ce comportement peut mettre en évidence sans grandes difficultés les messages qui s'échangent à cette occasion entre les organes sensoriels, les organes moteurs et le cerveau.
Les organes sensoriels sont ceux de la vision, de l'odorat et du toucher. Ils transmettent au cerveau les informations nécessaires à l'identification de la tasse de café et de son contenu. Les organes moteurs ou effecteurs relèvent de l'appareillage musculo-squelettique permettant de saisir la tasse et de boire le café. Ces deux catégories d'organes sont reliées par des fibres nerveuses montantes et descendantes qui permettent d'établir des boucles sensori-motrices se traduisant finalement par le fait de saisir la tasse, de boire le café et de reposer la tasse sur la soucoupe.

Les travaux sur les neurones miroirs(1) ont montré que dans des situations simples accomplies en groupe - où l'exemple collectif joue un grand rôle, comme dans notre exemple - les échanges nerveux se limitent à ce que l'on nomme globalement le cortex sensori-moteur en charge de la coordination entre les entrées sensorielles et les sorties motrices. Les couches associatives permettant l'activation de la conscience supérieure ne sont même pas mobilisées : autrement dit, vous buvez votre café sans avoir pris ce que dans le langage courant l'on nomme une décision volontaire. Il s'agit d'une décision dite  "machinale". Vous vous bornez à suivre l'exemple de vos amis.

Mais ce point n'est pas important. Si pour une raison particulière vous vous trouviez seul, vous pourriez explicitement décider de prendre un café et faire les gestes correspondants, le tout plus ou moins en pleine conscience. A ce moment les aires cérébrales supérieures impliquées dans ce que l'on nomme l'attention et la conscience volontaire entreraient en jeu. Certes, les processus dont découle la prise de décision dite volontaire sont bien plus complexes. Ils impliquent en général tout le cerveau sinon tout l'organisme. Mais les échanges et fonctions qui en découlent, réalisées dans les couches inférieures du cortex sensori-moteur, ne seraient pas radicalement modifiées.

Supposez maintenant que vous ayez accepté de participer à une expérience vous permettant d'assurer le contrôle à distance d'un robot doté des organes sensoriels et des organes effecteurs lui donnant la possibilité de se comporter au café d'une façon voisine de la vôtre. La première phase d'une telle expérience consisterait à se procurer un robot capable de s'asseoir à une table de café, de saisir une tasse et de boire (ou faire semblant de boire) son contenu. Ce robot devrait être très perfectionné. Les actes apparemment simples attendus exigeraient de lui une grande versatilité. Aujourd'hui cependant la robotique permet sans difficulté de demander de tels comportements à des robots.

Plus compliquées - mais néanmoins réalisables - sont les actions typiquement humanoïdes telles que la marche bipède. L'architecture des robots usuels n'y est pas adaptée. Pourtant, de nombreux robots sont désormais capables de marcher sur deux pieds et de se comporter dans une série d'activités avec une fluidité quasi humaine.

Beaucoup plus difficile sera la seconde phase de l'expérience : donner à votre cerveau la capacité de commander les activités motrices et de recevoir en retour les messages sensoriels correspondant à la manipulation d'une tasse de café et de son contenu. On pourrait évidemment faire en sorte que ceci soit fait par l'intermédiaire d'un clavier relié au robot. Vous pourriez le commander manuellement en fonction de ce que vos propres yeux observeraient du comportement du robot.

Mais on conçoit bien que l'expérience ne serait vraiment intéressante que si vous pouviez remplacer vos propres organes sensoriels et moteurs par ceux du robot. Il faudrait alors que les flux de données montantes et descendantes découlant de l'interaction du robot avec la tasse de café viennent alimenter directement votre cerveau, court-circuitant votre appareillage sensoriel.

Ceci pourrait se faire à deux niveaux différents.
- La procédure la plus simple consisterait à identifier les terminaisons de vos circuits sensoriels et moteurs pour les alimenter directement en données fournies par le robot ou pour leur permettre de produire des données utilisables par le robot. Les données en question devraient être convenablement décodées puis recodées pour être utilisables à la fois par le robot et par votre système nerveux. Ceci se fait couramment aujourd'hui, par exemple dans les prothèses sensorielles destinées à remplacer un organe des sens abîmé. Le nerf auditif ou optique est directement activé par la prothèse.

- Une procédure plus complexe mais également de plus en plus pratiquée aujourd'hui consisterait à introduire directement dans les aires corticales responsables de la commande motrice ou de la réception sensorielle de petits capteurs servant d'interface entre la prothèse et le cerveau. C'est la fonction que remplit par exemple l'opération dite des implants cochléaires qui permet d'activer directement, en l'absence du nerf auditif détruit, les aires spécialisées du cerveau capables de recevoir et traiter les données sonores provenant d'un capteur artificiel.

Il ne faut pas se dissimuler cependant que fournir au cerveau des données provenant immédiatement des sens ne suffit pas à la reconstruction des représentations complexes du monde qu'élabore en permanence celui-ci. Ce sont généralement des milliers de neurones, répartis dans des dizaines d'aires différentes, qui coopèrent pour une telle construction. Il est tout aussi difficile d'identifier les aires réparties dont la coopération aboutit à l'élaboration des ordres moteurs. Rien cependant en théorie ne semble interdire d'envisager de telles solutions.

Un autre problème se pose alors, de nature plus pratique : comment pourrait-on envisager l'implantation dans le cerveau des nombreux capteurs artificiels nécessaires pour l'interfaçage avec les organes du robot ? A terme cependant, il n'est pas exclu que des méthodes moins invasives soient proposées, par l'intermédiaire de casques externes que les sujets humains accepteraient de porter durant les expériences

La plasticité cérébrale

On voit donc qu'avec un peu de temps et quelques moyens de recherche, il deviendra possible de mettre directement en relation le cerveau avec un robot capable de remplacer nos organes sensoriels et moteurs. Et ceci non seulement pour prendre une tasse de café, mais pourquoi pas pour accomplir, à l'autre bout du monde, des tâches qui seraient hors de portée de notre appareillage corporel.

De plus, point essentiel, contrairement à ce que laissait supposer l'analyse que nous venons de faire au début de cet article, il ne serait pas nécessaire pour cela d'imposer à des chercheurs en neurosciences l'identification de détail des aires neuronales concernées, non plus qu'à des programmeurs la traduction en langage-machine des données émanant du cerveau. Des expériences menées depuis quelques années sur des primates, relatées sur ce site et sur de nombreux autres, montre que la plasticité du cerveau est telle que celui-ci, avec un peu d'entraînement, accepte de considérer les prothèses robotiques comme des organes du corps proprement dit.

En pratique, il suffit que le sujet engage mentalement les opérations traduites dans le langage courant par le terme de prise de décision volontaire, pour que les ordres correspondants soient transmis au robot et que les retours d'expérience en provenant soient traités comme s'ils émanaient des organes des sens. A ce moment, on pourra dire - d'une façon imagée - que le robot est contrôlé par la pensée. Nous sommes donc là directement immergés dans la réalisation de ce que nous nommons sur ce site des "systèmes-bioanthropotechniques".

Le professeur brésilien Miguel Nicolelis, fondateur du Center for Neuroengineering à l'université de Duke, Caroline du Nord, s'est spécialisé dans de telles recherches (voir références ci-dessous). Ces recherches sont dorénavant étudiées et poursuivies dans le monde entier, en collaboration avec les firmes les plus avancées en matière de réalisations de robots évolutionnaires et de prothèses artificielles. Les applications les plus intéressantes au point de vue social concernent l'aide aux personnes paralysées ayant conservé une activité cérébrale normale. Elles pourront faire appel de cette façon à des appareillages susceptibles d'être commandés directement par la pensée. Ceci s'inscrit dans les perspectives intéressant la réalisation d'"hommes augmentés" intéressant particulièrement le mouvement transhumaniste.

Par ailleurs, dans le domaine plus immédiat des applications robotiques en milieu difficile d'accès, l'utilisation de telles interfaces entre des robots explorateurs et des humains trouvera un très grand nombre d'applications. On citera notamment l'exploration des planètes. L'intérêt potentiel serait si grand que nous ne pouvons que regretter, une nouvelle fois, le peu de moyens mis par les responsables de la recherche européenne dans de tels investissements.

Miguel Nicolelis vient de présenter ces travaux dans son essai "Beyond Boundaries", publié chez Times Books.

(1) Travaux notamment décrits dans l'essai "Le paradoxe du Sapiens", éditions Jean-Paul Bayol.

Références
NicolelisLab
Article du Newscientist
Article du Blog Think artificial

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