L'échographie fonctionnelle (fUS) marque un grand pas en avant dans la technologie des interfaces cerveau-ordinateur, offrant un moyen peu invasif de contrôler avec précision les appareils électroniques en interprétant l'activité cérébrale. Une interface cerveau-ordinateur (IMC) est un appareil qui lit l'activité cérébrale et la traduit en contrôle d'appareils électroniques tels que des prothèses ou un curseur d'ordinateur. Ils promettent de permettre aux patients paralysés de déplacer leurs prothèses avec leurs pensées.

De nombreux IMC nécessitent une intervention chirurgicale invasive pour implanter des électrodes dans le cerveau afin de lire l'activité neuronale. En 2021, cependant, des chercheurs de Caltech ont développé un moyen de lire l’activité cérébrale à l’aide de l’échographie fonctionnelle (fUS), une technique beaucoup moins invasive.

L’échographie fonctionnelle : une révolution pour l’IMC

Aujourd'hui, une nouvelle étude prouve que la technologie des ultrasons fonctionnels peut constituer la base d'un IMC « en ligne » - un IMC qui lit l'activité cérébrale, interprète sa signification avec un décodeur programmé avec l'apprentissage automatique, puis contrôle un ordinateur pour prédire avec précision les mouvements dans des délais extrêmement courts.

Les ondes ultrasonores sont utilisées pour imager des tranches bidimensionnelles du cerveau, qui sont ensuite superposées pour former une image tridimensionnelle. Crédit image : Avec l’aimable autorisation de W. Griggs

La recherche a été menée dans les laboratoires de Richard Andersen, professeur James G. Boswell de neurosciences et directeur et président du centre T&C Chen pour les interfaces cerveau-ordinateur, et de Mikhail Shapiro, professeur Max Delbrück de génie chimique et de génie médical et chercheur du Howard Hughes Medical Institute à Caltech. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de Mickael Tanter, directeur de physique médicale à l'INSERM à Paris, France.

Avantages de l'échographie fonctionnelle

"L'échographie fonctionnelle est une modalité entièrement nouvelle qui pourrait être ajoutée à la boîte à outils de l'interface cerveau-ordinateur pour aider les personnes paralysées", a déclaré Anderson. "C'est moins invasif que les implants cérébraux et ne nécessite pas de recalibrage constant, ce qui est attrayant. Le développement de cette technologie a été un véritable effort de collaboration qui n'aurait pas pu être réalisé par un seul laboratoire."

"En général, tous les outils qui mesurent l'activité cérébrale ont des avantages et des inconvénients", a déclaré Sumner Norman, ancien chercheur associé postdoctoral senior à Caltech et co-premier auteur de l'étude. "Bien que les électrodes puissent mesurer l'activité de neurones individuels avec une grande précision, elles nécessitent une implantation dans le cerveau lui-même et sont difficiles à étendre à plus de quelques régions cérébelleuses. Les techniques non invasives ont également leurs limites. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) peut mesurer l'ensemble du cerveau, mais a une sensibilité et une résolution limitées. Les méthodes portables telles que l'électroencéphalographie (EEG) sont entravées par une mauvaise qualité de signal et l'incapacité de localiser les fonctions cérébrales plus profondes. "

Système vasculaire cortical pariétal postérieur mesuré par neuroimagerie fonctionnelle échographique. Source de l'image : Avec l'aimable autorisation de W. Griggs

Imagerie échographique expliquée

L'imagerie par ultrasons fonctionne en émettant des impulsions sonores à haute fréquence et en mesurant la façon dont ces vibrations sonores se répercutent dans les matériaux, tels que divers tissus du corps humain. Les ondes sonores traversent ces types de tissus à des vitesses différentes et se reflètent aux frontières qui les séparent. Cette technique est couramment utilisée pour prendre des images du fœtus dans l’utérus et d’autres images diagnostiques.

Le crâne lui-même étant imperméable aux ondes sonores, l’utilisation des ultrasons pour l’imagerie cérébrale nécessite une « fenêtre » transparente dans le crâne. "Il est important de noter que la technologie des ultrasons ne nécessite pas d'implantation dans le cerveau lui-même", a déclaré Whitney Griggs, Ph.D., 23 ans, l'un des premiers auteurs de l'étude. "Cela réduit considérablement le risque d'infection et laisse le tissu cérébral et sa dure-mère protectrice intacts."

"À mesure que l'activité des neurones change, leur utilisation des ressources métaboliques telles que l'oxygène change également. Ces ressources sont reconstituées par le flux sanguin, qui est la clé de l'échographie fonctionnelle", a déclaré Norman.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé les ultrasons pour mesurer les changements dans le flux sanguin dans des régions spécifiques du cerveau. Tout comme le son d'une sirène d'ambulance change de tonalité à mesure qu'elle se rapproche de vous et s'éloigne de vous, les globules rouges augmentent la tonalité des ultrasons réfléchis à mesure qu'ils s'approchent de la source du son et l'abaissent à mesure qu'ils s'éloignent. En mesurant ce phénomène d’effet Doppler, les chercheurs peuvent enregistrer de minuscules changements dans le flux sanguin cérébral dans une zone spatiale de seulement 100 microns de large, soit environ la largeur d’un cheveu humain. Cela leur a permis de mesurer simultanément l’activité de minuscules populations neuronales dans tout le cerveau, certaines ne comptant que 60 neurones.

Une application innovante chez les primates non humains aide les personnes paralysées à utiliser leurs pensées pour contrôler des ordinateurs et des membres robotiques

Les chercheurs ont utilisé des ultrasons fonctionnels pour mesurer l'activité cérébrale dans le cortex pariétal postérieur (PPC) des primates non humains, une région responsable de la planification des mouvements et de leur exécution. Le laboratoire d'Anderson étudie la région depuis des décennies en utilisant d'autres techniques.

Les chercheurs ont enseigné aux animaux deux tâches qui les obligeaient soit à prévoir de bouger leurs mains pour guider un curseur sur un écran, soit à prévoir de bouger leurs yeux pour regarder une partie spécifique de l'écran. Il leur suffit de penser à effectuer la tâche sans réellement bouger les yeux ou les mains, car l'IMC lit l'activité planifiée dans leur PPC.

"Je me souviens à quel point ce décodage prédictif était impressionnant il y a vingt ans avec l'utilisation d'électrodes, et maintenant c'est étonnant de voir à quel point il est efficace avec l'utilisation des ultrasons, une méthode moins invasive", a déclaré Shapiro.

Des résultats prometteurs et des projets futurs

Les données échographiques sont envoyées en temps réel à un décodeur (qui est préalablement entraîné à utiliser l'apprentissage automatique pour décoder la signification des données), qui génère ensuite des signaux de commande pour déplacer le curseur là où l'animal veut aller. BMI a réussi à le faire sur huit cibles radiales avec une erreur moyenne inférieure à 40 degrés.

"Contrairement aux autres IMC, cette technologie ne nécessite pas de recalibrage quotidien de l'IMC, ce qui est important", a déclaré Griggs. "Par exemple, imaginez devoir recalibrer une souris d'ordinateur jusqu'à 15 minutes chaque jour avant de l'utiliser."

Dans la prochaine étape, l'équipe de recherche prévoit d'étudier les performances de l'IMC basé sur la technologie des ultrasons dans le corps humain et de développer davantage la technologie fUS pour obtenir une imagerie tridimensionnelle et améliorer la précision.

L'article, intitulé "Décoder les plans de mouvement à l'aide d'une interface cerveau-ordinateur ultrasonique en boucle fermée", a été publié dans la revue Nature Neuroscience le 30 novembre.

Source compilée : ScitechDaily