Lire dans les pensées avec une machine

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Dans le roman classique d'Alexandre Dumas, Le Comte de Monte-Cristo, un personnage nommé Monsieur Noirtier de Villefort subit une terrible attaque qui le laisse paralysé. Bien qu'il reste éveillé et conscient, il n'est plus capable de bouger ou de parler. Il compte sur sa petite-fille Valentine pour réciter l'alphabet et feuilleter un dictionnaire afin de trouver les lettres et les mots dont il a besoin. Grâce à cette forme rudimentaire de communication, le vieil homme déterminé parvient à sauver Valentine de l'empoisonnement de sa belle-mère et à contrecarrer les tentatives de son fils de la marier contre son gré.

La description par Dumas de cet état catastrophique - où, comme il le dit, "l'âme est prisonnière d'un corps qui n'obéit plus à ses ordres" - est l'une des premières descriptions du syndrome d'enfermement. Cette forme de paralysie profonde survient lorsque le tronc cérébral est endommagé, généralement à la suite d'un accident vasculaire cérébral, mais aussi de tumeurs, de lésions cérébrales traumatiques, de morsures de serpent, d'abus de substances, d'infections ou de maladies neurodégénératives comme la sclérose latérale amyotrophique (SLA).

Cette maladie est considérée comme rare, mais il est difficile de dire à quel point elle est rare. De nombreux patients enfermés peuvent communiquer en effectuant des mouvements oculaires volontaires et en clignant des yeux, mais d'autres peuvent devenir complètement immobiles, perdant même la capacité de bouger leurs globes oculaires ou leurs paupières, ce qui rend l'ordre "clignez deux fois des yeux si vous me comprenez" sans objet. En conséquence, les patients peuvent passer en moyenne 79 jours emprisonnés dans un corps immobile, conscients mais incapables de communiquer, avant d'être correctement diagnostiqués.

L'avènement des interfaces cerveau-machine a fait naître l'espoir de rétablir la communication chez les personnes dans cet état d'enfermement, en leur permettant de se reconnecter au monde extérieur. Ces technologies utilisent généralement un dispositif implanté pour enregistrer les ondes cérébrales associées à la parole, puis des algorithmes informatiques pour traduire les messages voulus. Les avancées les plus intéressantes ne nécessitent pas de clignement des yeux, de suivi oculaire ou de tentatives de vocalisation, mais capturent et transmettent les lettres ou les mots qu'une personne prononce silencieusement dans sa tête.

"J'ai l'impression que cette technologie a vraiment le potentiel d'aider les personnes qui ont le plus perdu, celles qui sont vraiment enfermées et qui ne peuvent plus communiquer du tout", déclare Sarah Wandelt, étudiante diplômée en informatique et en systèmes neuronaux à Caltech, à Pasadena. Des études récentes menées par Wandelt et d'autres chercheurs ont fourni les premières preuves que les interfaces cerveau-machine peuvent décoder la parole interne. Ces approches, bien que prometteuses, sont souvent invasives, laborieuses et coûteuses, et les experts s'accordent à dire qu'elles nécessiteront encore beaucoup de développement avant de pouvoir donner une voix aux patients enfermés.

Mobiliser le cerveau - mais où ?

La première étape de la construction d'une interface cerveau-machine consiste à décider de la partie du cerveau à exploiter. À l'époque où Dumas était jeune, beaucoup pensaient que les contours du crâne d'une personne constituaient un atlas permettant de comprendre le fonctionnement interne de l'esprit. On trouve encore des cartes de phrénologie colorées - avec des voies bloquées pour les facultés humaines telles que la bienveillance, l'appétit et le langage - dans des textes médicaux désuets et dans les rayons de décoration intérieure des grands magasins. "Bien entendu, nous savons aujourd'hui que cela n'a aucun sens", déclare David Bjånes, neuroscientifique et chercheur postdoctoral à Caltech. En fait, il est désormais clair que nos facultés et nos fonctions émergent d'un réseau d'interactions entre différentes zones du cerveau, chaque zone agissant comme un nœud dans le réseau neuronal. Cette complexité représente à la fois un défi et une opportunité : Si aucune région du cerveau n'a encore été identifiée comme responsable du langage interne, un certain nombre de régions différentes pourraient constituer des cibles viables.

Par exemple, Wandelt, Bjånes et leurs collègues ont constaté qu'une partie du lobe pariétal appelée gyrus supramarginal (SMG), qui est généralement associée à la préhension d'objets, est également fortement activée pendant la parole. Ils ont fait cette découverte surprenante en observant un participant tétraplégique à qui l'on avait implanté un réseau de microélectrodes - un dispositif plus petit que la tête d'une épingle à nourrice recouverte d'une multitude de pointes métalliques à échelle réduite - dans son gyrus supramarginal. Le réseau peut enregistrer le déclenchement de neurones individuels et transmettre les données par un enchevêtrement de fils à un ordinateur qui les traite.

Bjånes compare la configuration de son interface cerveau-machine à un match de football. Imaginez que votre cerveau soit le stade de football et que chacun des neurones soit une personne dans ce stade. Les électrodes sont les microphones que vous placez dans le stade pour écouter. "Nous espérons les placer près de l'entraîneur, du speaker ou d'une personne du public qui sait vraiment ce qui se passe", explique-t-il. "Ensuite, nous essayons de comprendre ce qui se passe sur le terrain. Lorsque nous entendons le public hurler, est-ce un touchdown ? S'agit-il d'une passe ? Le quarterback a-t-il été attaqué ? Nous essayons de comprendre les règles du jeu, et plus nous aurons d'informations, plus notre appareil sera performant."

Dans le cerveau, les dispositifs implantés se trouvent dans l'espace extracellulaire entre les neurones, où ils surveillent les signaux électrochimiques qui traversent les synapses chaque fois qu'un neurone se déclenche. Si l'implant détecte les neurones concernés, les signaux enregistrés par les électrodes ressemblent à des fichiers audio, reflétant un modèle différent de pics et de creux pour différentes actions ou intentions.

L'équipe du Caltech a entraîné son interface cerveau-machine à reconnaître les schémas cérébraux produits lorsqu'un participant tétraplégique à l'étude "prononçait" intérieurement six mots (champ de bataille, cow-boy, python, cuillère, natation, téléphone) et deux pseudo-mots (nifzig, bindip). Ils ont constaté qu'après seulement 15 minutes d'entraînement, et en utilisant un algorithme de décodage relativement simple, l'appareil pouvait identifier les mots avec une précision de plus de 90 %.

Mme Wandelt a présenté cette étude, qui n'a pas encore été publiée dans une revue scientifique à comité de lecture, lors de la conférence 2022 de la Society for Neuroscience à San Diego. Elle pense que les résultats constituent une preuve de concept importante, même s'il faudrait élargir le vocabulaire avant qu'un patient enfermé puisse déjouer une belle-mère maléfique ou obtenir un verre d'eau. "Il est évident que les mots que nous avons choisis ne sont pas les plus informatifs, mais si vous les remplacez par oui, non, certains mots qui sont vraiment informatifs, ce serait utile", a déclaré Mme Wandelt lors de la réunion.

Des pensées aux lettres, en passant par les mots

Une autre approche permet de contourner la nécessité d'acquérir un vocabulaire étendu en concevant une interface cerveau-machine qui reconnaît les lettres au lieu des mots. En essayant de prononcer les mots correspondant à chaque lettre de l'alphabet romain, un patient paralysé pourrait épeler n'importe quel mot qui lui viendrait à l'esprit, et enchaîner ces mots pour communiquer en phrases complètes.

"Épeler les choses à voix haute avec la parole est quelque chose que nous faisons assez couramment, comme lorsque vous êtes au téléphone avec un représentant du service clientèle", explique Sean Metzger, étudiant diplômé en bio-ingénierie à l'université de Californie à San Francisco et à l'université de Californie à Berkeley. Tout comme les parasites sur une ligne téléphonique, les signaux cérébraux peuvent être bruyants. L'utilisation de mots codés de l'OTAN - comme Alpha pour A, Bravo pour B et Charlie pour C - permet de discerner plus facilement ce que dit quelqu'un.

Metzger et ses collègues ont testé cette idée sur un participant incapable de bouger ou de parler à la suite d'un accident vasculaire cérébral. Le participant à l'étude s'est vu implanter un plus grand réseau d'électrodes - de la taille d'une carte de crédit - sur une large bande de son cortex moteur. Plutôt que d'écouter les neurones individuels, ce réseau enregistre l'activité synchronisée de dizaines de milliers de neurones, comme si l'on entendait toute une section d'un stade de football gémir ou applaudir en même temps.

Grâce à cette technologie, les chercheurs ont enregistré des heures de données et les ont introduites dans des algorithmes sophistiqués d'apprentissage automatique. Ils ont été en mesure de décoder 92 % des phrases épelées silencieusement par le sujet de l'étude, telles que "C'est bon" ou "Quelle heure est-il ? - au moins une fois sur deux. Selon M. Metzger, la prochaine étape pourrait consister à combiner cette approche basée sur l'orthographe avec une approche basée sur les mots qu'ils ont développée précédemment pour permettre aux utilisateurs de communiquer plus rapidement et avec moins d'efforts.

Encore au stade initial

Aujourd'hui, près de 40 personnes dans le monde se sont vu implanter des réseaux de microélectrodes, et d'autres sont en train d'être mises en ligne. Nombre de ces volontaires - des personnes paralysées à la suite d'un accident vasculaire cérébral, d'une lésion de la moelle épinière ou de la SLA - passent des heures connectées à des ordinateurs pour aider les chercheurs à mettre au point de nouvelles interfaces cerveau-machine qui permettront à d'autres, un jour, de retrouver les fonctions qu'ils ont perdues. Jun Wang, informaticien et spécialiste de la parole à l'université du Texas à Austin, se dit enthousiasmé par les récents progrès réalisés dans la création d'appareils permettant de restaurer la parole, mais prévient qu'il reste encore un long chemin à parcourir avant de parvenir à une application pratique. "À l'heure actuelle, ce domaine n'en est qu'à ses débuts.

M. Wang et d'autres experts souhaiteraient que le matériel et les logiciels soient améliorés pour rendre les appareils moins encombrants, plus précis et plus rapides. Par exemple, l'appareil mis au point par le laboratoire de l'UCSF fonctionne à un rythme d'environ sept mots par minute, alors que la parole naturelle s'exprime à une vitesse d'environ 150 mots par minute. Et même si la technologie évolue pour imiter la parole humaine, il n'est pas certain que les approches développées chez les patients ayant une certaine capacité à bouger ou à parler fonctionneront chez ceux qui sont complètement enfermés. "J'ai l'intuition qu'elles pourraient s'adapter, mais je ne peux pas l'affirmer avec certitude", déclare M. Metzger. "Il faudrait le vérifier.

Une autre question ouverte est de savoir s'il est possible de concevoir des interfaces cerveau-machine qui ne nécessitent pas de chirurgie cérébrale. Les tentatives de création d'approches non invasives ont échoué parce que ces dispositifs ont essayé d'interpréter des signaux qui avaient voyagé à travers des couches de tissus et d'os, comme si l'on essayait de suivre un match de football depuis le parking.

Wang a fait des progrès en utilisant une technique d'imagerie avancée appelée magnétoencéphalographie (MEG), qui enregistre les champs magnétiques à l'extérieur du crâne générés par les courants électriques dans le cerveau, et en traduisant ensuite ces signaux en texte. Actuellement, il essaie de construire un appareil qui utilise la MEG pour reconnaître les 44 phonèmes, ou sons de la parole, de la langue anglaise - comme ph ou oo - qui pourraient être utilisés pour construire des syllabes, puis des mots, puis des phrases.

En fin de compte, le principal obstacle au rétablissement de la parole chez les patients enfermés est peut-être davantage lié à la biologie qu'à la technologie. La manière dont la parole est codée, en particulier la parole interne, peut varier en fonction de l'individu ou de la situation. Une personne peut s'imaginer en train de gribouiller un mot sur une feuille de papier dans son esprit ; une autre peut entendre le mot, encore inexprimé, résonner dans ses oreilles ; une autre encore peut associer un mot à sa signification, évoquant un état d'âme particulier. Étant donné que des ondes cérébrales différentes peuvent être associées à des mots différents chez des personnes différentes, il pourrait être nécessaire d'adapter différentes techniques à la nature individuelle de chaque personne.

"Je pense que cette approche multidimensionnelle des différents groupes est notre meilleur moyen de couvrir toutes nos bases", déclare Bjånes, "et d'avoir des approches qui fonctionnent dans un grand nombre de contextes différents".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.