Quand le cerveau parle à l'ordinateur

"Pensez très fort à un objet et il sortira de notre imprimante 3 D." Telle est, en substance, la présentation qu’une start-up brésilienne fait de son projet fondé sur une interface cerveau-ordinateur (ICO). Présentation plutôt aventureuse qui en dit long sur les fantasmes que fait naître l’idée d’utiliser les ondes de notre cerveau pour piloter un ordinateur et, derrière lui, la machine qu’il contrôle. Pour autant, les ICO sont un domaine de recherche qui excite des chercheurs du monde entier. Ils étaient 250, réunis du 3 au 7 juin à Monterey (Californie), pour l’International BCI Meeting (BCI pour "brain computer interface", les ICO en anglais). Capter des ondes cérébrales pour déplacer un fauteuil roulant, c’est possible, et c’est même pour ce type d’utilisation – rendre plus autonomes des personnes paralysées – qu’ont été lancées les recherches sur les ICO.

Depuis, les applications potentielles se sont multipliées : les jeux vidéo toujours à l’affût de nouvelles expériences pour le joueur, la robotique, la formation, la navigation sur le web, la domotique, la défense (pilotage de drones, assistance au pilote d’avion…), et l’automobile. Nissan travaille par exemple avec l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) sur des systèmes d’assistance à la conduite. Quant aux applications médicales, elles concernent maintenant la rééducation et même la thérapeutique. Mensia Technologies, une start-up française issue de l’Inria, veut commercialiser un jeu pour le traitement des troubles de l’attention chez les enfants.

Pour faire une ICO, il faut un casque d’électroencéphalographie (EEG), qui capte les ondes cérébrales, et pas mal de mathématiques et de logiciels pour traiter les signaux et les transformer en commande agissant sur un ordinateur ou un équipement. Quelle que soit l’application, les chercheurs ont un triple défi à relever : sélectionner, mesurer et interpréter les signaux intéressants pour l’application visée ; assurer la fiabilité du système sans imposer trop d’apprentissage à l’opérateur ; réaliser le tout pour un coût abordable. Sur ce dernier point, l’arrivée récente de casques d’EEG "grand public" est un net progrès. Vendus quelques centaines d’euros – dix à cent fois moins cher que les matériels médicaux – par des sociétés comme Emotiv ou NeuroSky, ils présentent aussi l’avantage d’être plus simples à mettre en œuvre : fini le gel pour assurer le contact des électrodes avec le crâne. Les éditeurs de jeux vidéo ont apprécié. Ils (Ubisoft, Kylotonn Games…) ont notamment participé au projet français OpenVibe2, qui a donné naissance à plusieurs prototypes. « Ces casques n’ont pas les performances des casques médicaux, mais c’est un premier pas vers un compromis efficace », indique Fabrice Lécuyer, qui a dirigé le projet à l’Inria.

Deux options possibles

Le cœur de l’ICO, c’est le traitement des ondes cérébrales, les signaux électriques produits par les neurones en activité. Deux options sont possibles. Soit demander à l’utilisateur de produire une image mentale (par exemple, imaginer le mouvement de sa main droite), et traduire le signal correspondant en une commande pour l’ordinateur : c’est l’"imagerie motrice". Soit envoyer un stimulus (un bouton clignotant sur l’écran de l’ordinateur…), et utiliser la réaction du cerveau pour sélectionner une action. L’imagerie motrice est utilisée dans des prototypes de jeux, pour déplacer un objet, par exemple. C’est aussi le choix de l’EPFL, qui a mis au point une ICO pour un fauteuil roulant. L’utilisateur se déplace en imaginant des mouvements simples (main droite – main gauche) et la sécurité du déplacement est assurée grâce à une batterie de capteurs et de caméras. Avantage : le fauteuil obéit aux "ordres" de son occupant. Inconvénient : l’apprentissage peut être long. Et l’efficacité dépend de l’état mental (fatigue…) de l’utilisateur. C’est pourquoi beaucoup d’ICO optent pour la sélection de commandes provoquée par des stimuli visuels. Des flashs balayant lettres, symboles ou boutons sur l’écran, permettent de détecter la commande sur laquelle se focalise l’opérateur. Des scintillements de différentes fréquences, qui produisent des ondes correspondantes dans le cerveau, multiplient les possibilités de sélection. Avec une ICO de ce type, on peut jouer, piloter ses équipements domestiques (comme dans le projet européen BrainAble, tout juste clôturé), voire faire fonctionner un exosquelette qui pourrait aider un handicapé à remarcher, tel Mindwalker, en cours d’évaluation clinique en Italie.

Les points faibles des ICO "stimulées" : la lenteur de la sélection des commandes… et la focalisation de l’utilisateur sur l’écran. L’avantage majeur est la simplicité de l’apprentissage. Si nombre de projets exploitent ces deux options (parfois simultanément), d’autres explorent des ICO "passives" : le but n’est plus de transmettre une commande, mais de surveiller et de mesurer l’état mental de l’opérateur (attention, émotions, stress…). Des mesures grâce auxquelles on peut adapter un jeu à la concentration du joueur, aider un opérateur en tenant compte de sa charge mentale…

À l’aide d’un implant

Les perspectives sont nombreuses, mais inutile de se leurrer : aujourd’hui, une ICO est bien moins efficace qu’une souris, un joystick ou un écran tactile. "L’essentiel des recherches a porté sur le traitement du signal. Il serait utile de s’intéresser de près aux méthodes d’apprentissage qui permettent d’apprendre à contrôler son activité cérébrale", propose Fabien Lotte, chercheur à l’Inria de Bordeaux. Une autre option, pour améliorer les résultats, est d’aller mesurer les signaux dans le cerveau, à l’aide d’un implant. L’équipe d’Alim-Louis Benabid, au laboratoire Clinatec (CEA, Inserm, CHU de Grenoble), a mis au point un implant de 50 mm de diamètre, comprenant 64 électrodes, l’électronique de traitement et des antennes de communication. En mesurant les signaux à la surface du cortex (électrocorticographie), son but est de donner à un tétraplégique les moyens de commander un exosquelette, afin de retrouver un peu d’autonomie. Des essais sur cinq patients sont prévus et attendent l’autorisation des agences de santé. Aux États-Unis, Miguel Nicolelis, à la Duke University, pilote le projet Walk again. Avec un plus grand nombre d’implants et d’électrodes, il ambitionne, dès 2014, de faire remarcher un adolescent paralysé et de le faire shooter dans un ballon…