Interface cerveau-ordinateur sans fil à large bande passante pour les humains – Technoguide

Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) sont une technologie d’assistance émergente, permettant aux personnes paralysées de taper sur des écrans d’ordinateur ou de manipuler des prothèses robotiques simplement en pensant à bouger leur propre corps. Pendant des années, les BCI expérimentaux utilisés dans les essais cliniques ont nécessité des câbles pour connecter le réseau de détection dans le cerveau à des ordinateurs qui décodent les signaux et les utilisent pour piloter des périphériques externes.

Maintenant, pour la première fois, les participants à l’essai clinique BrainGate atteints de tétraplégie ont démontré l’utilisation d’un BCI intracortical sans fil avec un émetteur sans fil externe. Le système est capable de transmettre des signaux cérébraux à une résolution de neurone unique et avec une fidélité à large bande sans attacher physiquement l’utilisateur à un système de décodage. Les câbles traditionnels sont remplacés par un petit émetteur d’environ 2 pouces dans sa plus grande dimension et pesant un peu plus de 1,5 once. L’unité se trouve au-dessus de la tête d’un utilisateur et se connecte à un réseau d’électrodes dans le cortex moteur du cerveau en utilisant le même port utilisé par les systèmes câblés.

Pour une étude publiée dans IEEE Transactions on Biomedical Engineering, deux participants aux essais cliniques atteints de paralysie ont utilisé le système BrainGate avec un émetteur sans fil pour pointer, cliquer et taper sur une tablette standard. L’étude a montré que le système sans fil transmettait des signaux avec pratiquement la même fidélité que les systèmes filaires, et les participants ont atteint une précision de pointer-cliquer et des vitesses de frappe similaires.

«Nous avons démontré que ce système sans fil est fonctionnellement équivalent aux systèmes filaires qui sont la référence en matière de performances BCI depuis des années», a déclaré John Simeral, professeur adjoint d’ingénierie (recherche) à l’Université Brown, membre du BrainGate. consortium de recherche et auteur principal de l’étude. “Les signaux sont enregistrés et transmis avec une fidélité similaire, ce qui signifie que nous pouvons utiliser les mêmes algorithmes de décodage que ceux que nous avons utilisés avec les équipements filaires. La seule différence est que les gens n’ont plus besoin d’être physiquement attachés à notre équipement, ce qui ouvre de nouvelles possibilités en termes de la façon dont le système peut être utilisé. “

Les chercheurs disent que l’étude représente une étape précoce mais importante vers un objectif majeur de la recherche BCI: un système intracortical entièrement implantable qui aide à restaurer l’indépendance des personnes qui ont perdu la capacité de bouger. Bien que des appareils sans fil avec une bande passante inférieure aient été signalés précédemment, il s’agit du premier appareil à transmettre le spectre complet des signaux enregistrés par un capteur intracortical. Ce signal sans fil à haut débit permet la recherche clinique et les neurosciences humaines de base qui sont beaucoup plus difficiles à réaliser avec des BCI câblés.

La nouvelle étude a démontré certaines de ces nouvelles possibilités. Les participants à l’essai – un homme de 35 ans et un homme de 63 ans, tous deux paralysés par des lésions de la moelle épinière – ont pu utiliser le système à domicile, par opposition au laboratoire où se déroule la plupart des recherches de la BCI. lieu. Sans être gênés par les câbles, les participants ont pu utiliser le BCI en continu jusqu’à 24 heures, donnant aux chercheurs des données de longue durée, y compris pendant que les participants dormaient.

«Nous voulons comprendre comment les signaux neuronaux évoluent au fil du temps», a déclaré Leigh Hochberg, professeur d’ingénierie à Brown, chercheur au Brown’s Carney Institute for Brain Science et responsable de l’essai clinique BrainGate. «Avec ce système, nous sommes en mesure d’examiner l’activité cérébrale, à la maison, sur de longues périodes d’une manière qui était presque impossible auparavant. Cela nous aidera à concevoir des algorithmes de décodage qui permettent une restauration transparente, intuitive et fiable de la communication. et la mobilité des personnes paralysées. “

L’appareil utilisé dans l’étude a été développé pour la première fois à Brown dans le laboratoire d’Arto Nurmikko, professeur à la Brown’s School of Engineering. Surnommé le périphérique sans fil brun (BWD), il a été conçu pour transmettre des signaux haute fidélité tout en consommant une puissance minimale. Dans l’étude actuelle, deux appareils utilisés ensemble ont enregistré des signaux neuronaux à 48 mégabits par seconde à partir de 200 électrodes avec une autonomie de plus de 36 heures.

Bien que le BWD ait été utilisé avec succès pendant plusieurs années dans la recherche fondamentale en neurosciences, des tests supplémentaires et une autorisation réglementaire étaient nécessaires avant d’utiliser le système dans l’essai BrainGate. Nurmikko affirme que le passage à l’utilisation humaine marque un moment clé dans le développement de la technologie BCI.

“J’ai le privilège de faire partie d’une équipe qui repousse les frontières des interfaces cerveau-machine à usage humain”, a déclaré Nurmikko. «Il est important de noter que la technologie sans fil décrite dans notre article nous a aidés à obtenir des informations cruciales sur la voie à suivre dans la poursuite de la prochaine génération de neurotechnologies, telles que les interfaces électroniques sans fil haute densité entièrement implantées pour le cerveau.

La nouvelle étude marque une autre avancée significative des chercheurs du consortium BrainGate, un groupe interdisciplinaire de chercheurs des universités Brown, Stanford et Case Western Reserve, ainsi que du Providence Veterans Affairs Medical Center et du Massachusetts General Hospital. En 2012, l’équipe a publié une recherche historique dans laquelle les participants aux essais cliniques ont pu, pour la première fois, opérer des prothèses robotiques multidimensionnelles à l’aide d’un BCI. Ce travail a été suivi d’un flux constant d’améliorations du système, ainsi que de nouvelles percées cliniques qui ont permis aux gens de taper sur des ordinateurs, d’utiliser des applications pour tablettes et même de bouger leurs propres membres paralysés.

«L’évolution des BCI intracorticaux de la nécessité d’un câble métallique à l’utilisation d’un émetteur sans fil miniature est une étape majeure vers l’utilisation fonctionnelle d’interfaces neuronales haute performance entièrement implantées», a déclaré Sharlene Flesher, co-auteur de l’étude, postdoctorante à Stanford et est maintenant ingénieur matériel chez Apple. «Alors que le domaine se dirige vers la réduction de la bande passante transmise tout en préservant la précision du contrôle des appareils d’assistance, cette étude peut être l’une des rares à capturer toute l’étendue des signaux corticaux pendant de longues périodes de temps, y compris pendant l’utilisation pratique de BCI.

La nouvelle technologie sans fil rapporte déjà des dividendes de manière inattendue, selon les chercheurs. Parce que les participants peuvent utiliser l’appareil sans fil chez eux sans technicien sur place pour maintenir la connexion filaire, l’équipe BrainGate a pu continuer son travail pendant la pandémie COVID-19.

«En mars 2020, il est devenu clair que nous ne pourrions pas visiter les maisons de nos participants à la recherche», a déclaré Hochberg, qui est également neurologue en soins intensifs au Massachusetts General Hospital et directeur du VA Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnologie. «Mais en apprenant aux soignants à établir la connexion sans fil, un participant à l’essai a pu utiliser le BCI sans que les membres de notre équipe soient physiquement présents. Ainsi, non seulement nous avons pu poursuivre nos recherches, mais cette technologie nous a permis de continuer bande passante et fidélité que nous avions auparavant. “

Simeral a noté que «plusieurs entreprises sont entrées à merveille dans le domaine de la BCI, et certaines ont déjà démontré l’utilisation humaine de systèmes sans fil à faible bande passante, y compris certains qui sont entièrement implantés. Dans ce rapport, nous sommes ravis d’avoir utilisé une bande passante élevée. système sans fil qui fait progresser les capacités scientifiques et cliniques des futurs systèmes. “

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