Tout premier bras robotique contrôlé par l'esprit sans implants cérébraux

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PITTSBURGH, 19 juin 2019 /PRNewswire/ -- Une équipe de chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, en collaboration avec l'Université du Minnesota, a fait une découverte capitale dans le domaine du contrôle non invasif des dispositifs robotiques. À l'aide d'une interface cerveau-ordinateur (ICO) non invasive, les chercheurs ont mis au point le tout premier bras robotique contrôlé par l'esprit capable de localiser et de suivre en continu un curseur d'ordinateur.

Le fait de pouvoir contrôler de manière non invasive des dispositifs robotiques en n'utilisant que la pensée aura de vastes applications, en particulier pour la vie des patients paralysés et des personnes souffrant de troubles du mouvement.

Les ICO ont montré qu'elles permettaient d'obtenir de bonnes performances en matière de contrôle des dispositifs robotiques en utilisant uniquement les signaux détectés à partir d'implants cérébraux. Lorsque les dispositifs robotiques peuvent être contrôlés avec une grande précision, ils peuvent être utilisés pour accomplir une variété de tâches quotidiennes. Jusqu'à présent, cependant, les ICO qui ont réussi à contrôler les bras robotiques ont eu recours à des implants cérébraux invasifs. Ces implants nécessitent une expertise médicale et chirurgicale considérable pour être correctement installés et utilisés, sans parler des coûts et des risques potentiels pour les sujets, et en tant que tels, leur utilisation a été limitée à quelques cas cliniques seulement.

L'un des grands défis de la recherche dans le domaine des ICO consiste à mettre au point une technologie moins invasive, voire totalement non invasive, qui permettrait aux patients paralysés de contrôler leur environnement ou leurs membres robotiques en utilisant leurs propres « pensées ». Une telle technologie ICO non invasive apporterait, en cas de succès, une technologie incroyablement nécessaire à de nombreux patients et même potentiellement à la population en général.

Cependant, les ICO qui utilisent des capteurs externes non invasifs, plutôt que des implants cérébraux, reçoivent des signaux « plus sales », ce qui entraîne une résolution plus faible et un contrôle moins précis. Ainsi, lorsqu'on n'utilise que le cerveau pour contrôler un bras robotique, une ICO non invasive ne soutient pas la comparaison avec l'utilisation de dispositifs implantés. Malgré cela, les chercheurs dans le domaine de l'ICO sont allés de l'avant et ont mis au point une technologie moins invasive ou non invasive qui pourrait aider les patients partout dans le monde, au quotidien.

Bin He, professeur administrateur et chef du département de génie biomédical à l'Université Carnegie Mellon, atteint cet objectif, une découverte clé à la fois.

« Il y a eu des avancées majeures dans les dispositifs robotiques contrôlés par l'esprit utilisant des implants cérébraux. C'est une excellente science », a déclaré M. He. « Mais la technologie non invasive est l'objectif ultime. Les progrès du décodage neuronal et l'utilité pratique du contrôle non invasif du bras robotique auront des implications majeures sur le développement éventuel de la neurorobotique non invasive. »

Grâce à de nouvelles techniques de détection et d'apprentissage automatique, M. He et son laboratoire ont pu accéder à des signaux au plus profond du cerveau, leur permettant d'obtenir une haute résolution de contrôle sur un bras robotique. Grâce à la neuroimagerie non invasive et à un nouveau paradigme de poursuite continue, He surmonte les signaux EEG bruyants, menant ainsi à une amélioration significative du décodage neuronal basé sur l'EEG et facilitant le contrôle en temps réel des dispositifs robotiques 2D en continu.

En utilisant une ICO non invasive pour contrôler un bras robotique qui localise un curseur sur un écran d'ordinateur, pour la toute première fois, M. He a montré chez des sujets humains qu'un bras robotique peut maintenant suivre le curseur continuellement. Alors que les bras robotiques contrôlés par l'homme de manière non invasive avaient auparavant suivi un curseur avec des mouvements saccadés et distincts (comme si le bras robotique essayait de « rattraper » les commandes du cerveau), le bras suit maintenant le curseur dans une trajectoire sans à-coups et continue.

Dans un article publié dans Science Robotics, l'équipe a établi un nouveau cadre qui traite et améliore les composantes « cerveau » et « ordinateur » de l'ICO en augmentant l'engagement et la formation des utilisateurs, ainsi que la résolution spatiale des données neurales non invasives par l'imagerie EEG source.

L'article, « Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control » (La neuroimagerie non invasive améliore la localisation neuronale continue pour le contrôle des dispositifs robotiques), montre que l'approche unique de l'équipe pour résoudre ce problème non seulement a amélioré l'apprentissage de l'ICO de près de 60 % pour les tâches traditionnelles de centralisation, mais a également amélioré le suivi continu d'un curseur informatique de plus de 500 %.

La technologie a également des applications qui pourraient aider une variété de personnes, en offrant un « contrôle mental » sûr et non invasif des dispositifs qui peuvent permettre aux gens d'interagir avec leur environnement et de le contrôler. À ce jour, la technologie a été testée chez 68 sujets humains valides (jusqu'à 10 séances pour chaque sujet), incluant la commande d'un dispositif virtuel et le contrôle d'un bras robotique pour une poursuite continue. La technologie est directement applicable aux patients et l'équipe prévoit mener des essais cliniques dans un proche avenir.

« En dépit des défis techniques liés à l'utilisation de signaux non invasifs, nous sommes pleinement engagés à mettre cette technologie sûre et économique à la portée de ceux qui peuvent en bénéficier », a déclaré M. He. « Ce travail représente une étape importante dans les interfaces cerveau-ordinateur non invasives, une technologie qui pourrait un jour devenir une technologie d'assistance omniprésente pour tous, comme les smartphones. »

Ce travail a été soutenu en partie par le National Center for Complementary and Integrative Health, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke, le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering et le National Institute of Mental Health.

À propos du College of Engineering : Le College of Engineering de l'Université Carnegie Mellon est une école d'ingénierie de premier plan reconnue pour l'accent mis intentionnellement sur la collaboration interdisciplinaire en recherche. Le College est réputé pour ses travaux sur des problèmes d'importance à la fois scientifique et pratique. Notre culture de « faiseur » est enracinée dans tout ce que nous faisons, ce qui mène à de nouvelles approches et à des résultats transformateurs. Nos professeurs de renom mettent l'accent sur la gestion de l'innovation et l'ingénierie afin d'obtenir des résultats transformateurs qui stimuleront la vitalité intellectuelle et économique de notre communauté, de la nation et du monde.

À propos de l'Université Carnegie Mellon : Carnegie Mellon (www.cmu.edu) est une université privée de calibre international axée sur la recherche, qui propose des programmes dans les disciplines suivantes : sciences, technologies et commerce, politiques publiques, lettres et arts. Plus de 13 000 étudiants inscrits dans les sept facultés et collèges de l'université bénéficient d'un excellent rapport étudiants-professeurs et de méthodes d'enseignement axées sur la création et la mise en œuvre de solutions à des problèmes concrets, la collaboration interdisciplinaire et l'innovation. 

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