Un fauteuil roulant contrôlé par l’esprit peut aider une personne paralysée à acquérir une nouvelle mobilité en traduisant les pensées des utilisateurs en commandes mécaniques. Le 18 novembre dans le journal iScienceles chercheurs démontrent que les utilisateurs tétraplégiques peuvent utiliser des fauteuils roulants contrôlés par l’esprit dans un environnement naturel et encombré après un entraînement prolongé.
Nous montrons que l’apprentissage mutuel de l’utilisateur et de l’algorithme d’interface cerveau-machine est important pour que les utilisateurs puissent utiliser avec succès de tels fauteuils roulants. Notre recherche met en évidence une voie potentielle pour une traduction clinique améliorée de la technologie d’interface cerveau-machine non invasive. »
José del R. Millán, auteur correspondant de l’étude, Université du Texas à Austin
Millán et ses collègues ont recruté trois personnes tétraplégiques pour l’étude longitudinale. Chacun des participants a suivi des sessions de formation trois fois par semaine pendant 2 à 5 mois. Les participants portaient une calotte qui détectait leurs activités cérébrales par électroencéphalographie (EEG), qui seraient converties en commandes mécaniques pour les fauteuils roulants via un dispositif d’interface cerveau-machine. Les participants ont été invités à contrôler la direction du fauteuil roulant en pensant au déplacement des parties de leur corps. Plus précisément, ils devaient penser à bouger les deux mains pour tourner à gauche et les deux pieds pour tourner à droite.
Lors de la première session de formation, trois participants avaient des niveaux de précision similaires ; lorsque les réponses de l’appareil correspondaient aux pensées des utilisateurs ; d’environ 43 % à 55 %. Au cours de la formation, l’équipe du dispositif d’interface cerveau-machine a constaté une amélioration significative de la précision du participant 1, qui a atteint une précision de plus de 95 % à la fin de sa formation. L’équipe a également observé une augmentation de la précision du participant 3 à 98 % à mi-parcours de sa formation avant que l’équipe ne mette à jour son appareil avec un nouvel algorithme.
L’amélioration observée chez les participants 1 et 3 est corrélée à l’amélioration de la discrimination des caractéristiques, qui est la capacité de l’algorithme à discriminer le modèle d’activité cérébrale codé pour les pensées « aller à gauche » de celui pour « aller à droite ». L’équipe a constaté que la meilleure discrimination des fonctionnalités n’est pas seulement le résultat de l’apprentissage automatique de l’appareil, mais également de l’apprentissage dans le cerveau des participants. L’EEG des participants 1 et 3 a montré des changements clairs dans les modèles d’ondes cérébrales à mesure qu’ils amélioraient la précision du contrôle mental de l’appareil.
« Nous voyons d’après les résultats de l’EEG que le sujet a consolidé une capacité à moduler différentes parties de son cerveau pour générer un schéma pour » aller à gauche « et un schéma différent pour » aller à droite « », explique Millán. « Nous pensons qu’il y a une réorganisation corticale qui s’est produite à la suite du processus d’apprentissage des participants. »
Comparé aux participants 1 et 3, le participant 2 n’a présenté aucun changement significatif dans les schémas d’activité cérébrale tout au long de la formation. Sa précision n’a augmenté que légèrement au cours des premières séances, qui est restée stable pendant le reste de la période d’entraînement. Cela suggère que l’apprentissage automatique seul est insuffisant pour manœuvrer avec succès un tel appareil contrôlé par l’esprit, dit Millán
À la fin de la formation, tous les participants ont été invités à conduire leur fauteuil roulant dans une chambre d’hôpital encombrée. Ils ont dû contourner des obstacles tels qu’un séparateur de pièce et des lits d’hôpitaux, qui sont configurés pour simuler l’environnement réel. Les participants 1 et 3 ont terminé la tâche tandis que le participant 2 ne l’a pas terminée.
« Il semble que pour que quelqu’un acquière un bon contrôle de l’interface cerveau-machine qui lui permet d’effectuer des activités quotidiennes relativement complexes comme conduire le fauteuil roulant dans un environnement naturel, cela nécessite une certaine réorganisation neuroplastique dans notre cortex », explique Millán.
L’étude a également mis l’accent sur le rôle de la formation à long terme des utilisateurs. Bien que le participant 1 ait réalisé des performances exceptionnelles à la fin, il a également eu du mal lors des premières séances d’entraînement, dit Millán. L’étude longitudinale est l’une des premières à évaluer la traduction clinique de la technologie d’interface cerveau-machine non invasive chez les personnes tétraplégiques.
Ensuite, l’équipe veut comprendre pourquoi le participant 2 n’a pas ressenti l’effet d’apprentissage. Ils espèrent mener une analyse plus détaillée des signaux cérébraux de tous les participants pour comprendre leurs différences et les interventions possibles pour les personnes aux prises avec le processus d’apprentissage à l’avenir.
Ce travail a été partiellement soutenu par le ministère italien de l’éducation et par le département d’ingénierie de l’information de l’université de Padoue.
