Du cerveau électronique à la puissance mentale

L'informatique est depuis longtemps associée avec le cerveau humain: au début, on décrivait l'ordinateur comme «une sorte de cerveau électronique». Mais les ordinateurs sont devenus rapidement tellement présents que la comparaison s'est inversée, et l'analogie de base est que le cerveau est «une sorte d'ordinateur biologique».

Neelie Kroes, vice-présidente de la Commission européenne et responsable de la politique numérique de l'Europe, commentait l'annonce faite cette année d'un financement de 150 millions d'euros pour les projets de recherche en TIC en rapport avec le cerveau: «En dépit de grands progrès ces dernières décennies, il reste encore beaucoup à découvrir: depuis les ordinateurs qui fonctionnent comme notre cerveau, comme des réseaux d'ordinateurs qui copient la structure du cerveau pour mieux gérer les données massives (ou big data) , jusqu'à la détection et le traitement de maladies qui affectent chaque année un tiers des Européens, comme la maladie d'Alzheimer, l'autisme ou la schizophrénie.»

Un cerveau

L'un des plus grands défis de la science du 21ème siècle est donc de comprendre le cerveau humain. De nouveaux projets ambitieux en UE comme le projet phare du programme FET (Technologies futures et émergentes), intitulé HBP («Human Brain Project»), et aux États-Unis le projet BRAIN, commencent à tenter de s'attaquer à ce défi, dans l'espoir de comprendre ce qui fait de nous ce que nous sommes, de concevoir de nouveaux traitements pour les maladies du cerveau, et de concrétiser de nouveaux systèmes informatiques révolutionnaires.

Le but premier du projet HBP est de bâtir un système intégré de plateformes de recherche basées sur les TIC, donnant aux neuroscientifiques, aux chercheurs en médecine et aux concepteurs de technologies l'accès aux outils et aux services innovants susceptibles d'accélérer considérablement leurs travaux. Ce projet recevra environ 1 milliard d'euros sur 10 ans, et collaborera étroitement avec la nouvelle initiative du président américain Obama nommée BAM («Brain Activity Mapping»), dotée de 100 millions de dollars (environ 7 6500 000 d'euros) rien que pour sa première année.

Le second objectif du projet HBP est d'initier et d'orienter une initiative mondiale et en collaboration, utilisant ces plateformes pour les travaux sur les problèmes fondamentaux en neurosciences, en médecine et en informatique. Le résultat devrait être une meilleure compréhension du cerveau mais aussi de nouvelles TIC, sources de transformations profondes. Par exemple, le cerveau gère des milliards d'unités de traitement, reliées par des kilomètres de fibres nerveuses et des dizaines de milliers de milliards de synapses, mais il ne consomme pas plus d'énergie qu'une ampoule. Le fait de comprendre comment ceci est possible pourrait révolutionner l'infrastructure des TIC et leur puissance.

Des cerveaux: l'homme pour aider les ordinateurs

Nous savons tous que le monde moderne nous présente une masse ahurissante d'informations, depuis les supermarchés jusqu'à la publicité en ligne, exigeant souvent des décisions rapides dans la rue ou dans un magasin bruyant. Il peut paraître surprenant que ces problèmes soient similaires dans diverses sciences comme l'astronomie, les neurosciences, l'archéologie, l'histoire et l'économie.

Dans ces domaines, les experts doivent extraire un sens à partir de très gros ensembles de données souvent complexes. Le projet CEEDS travaille à de nouveaux outils d'interaction homme-ordinateur, dans le but de soutenir la prise de décisions quotidiennes ainsi que l'analyse d'informations scientifiques. L'équipe applique une approche de systèmes de «réalité synthétique», afin de faciliter l'exploration consciente de gros ensembles de données tout en tirant parti de la puissance et du potentiel du cerveau subconscient.

Nous n'avons conscience que d'une petite partie des informations perçues par nos sens, mais notre cerveau traite malgré tout cet ensemble, et il est très doué pour détecter des régularités, même si nous n'en avons pas conscience. Le projet CEEDS compte donc rechercher des indices de découverte ou de surprise dans ces processus subconscients, à l'aide d'appareils portables capables de mesurer les réactions de sujets lors de la consultation de gros ensembles de données dans des environnements de réalité synthétique. Le système dirigera alors les utilisateurs vers les zones potentiellement intéressantes des visualisations, guidant la découverte de modèles et de sens dans les ensembles de données.

En tirant parti de la puissance du subconscient, CEEDS facilitera la découverte de modèles ou de signaux cachées dans de grandes quantités de données. Cette nouvelle «technologie confluente», où l'ordinateur et l'utilisateur sont des parties intégrantes d'un même système, pourrait même permettre de relier plusieurs personnes pour créer un système de découverte collective.

Le projet CEEDS aide les ordinateurs et l'homme à collaborer, mais le projet BRAINSCALES aide les ordinateurs à «penser» comme l'homme. Notre cerveau fonctionne simultanément à différentes échelles, du neurone jusqu'aux grandes zones dévolues à des fonctions comme la vue ou l'odorat, et depuis la milliseconde (pour nos réactions physiques) jusqu'aux heures ou aux jours (pour apprendre). L'équipe du projet utilise des simulations sur des superordinateurs très rapides pour bâtir «une synthèse artificielle des compétences cognitives de type cortical», développant une «architecture matérielle non von Neumann».

Les ordinateurs classiques utilisent l'architecture dite de «von Neumann», comme nos ordinateurs personnels où la mémoire, le stockage et le processeur sont séparés. Mais l'équipe a utilisé des structures mimant le fonctionnement à plusieurs échelles du cerveau humain, concevant un ordinateur dont l'architecture n'est pas celle de von Neumann. Outre des applications hors de la science du cerveau, le travail du projet BRAINSCALES a contribué à la préparation du projet HBP du FET (Human Brain Project).

De même, le projet REALNET vise à réaliser le premier modèle réaliste en temps réel du 'cervelet', une partie du cerveau importante dans le contrôle moteur et impliquée dans des fonctions cognitives comme l'attention et le langage. L'équipe développe des puces spécifiques et des techniques d'imagerie pour enregistrer la physiologie et l'activité des neurones du cervelet.

Le but est un réseau neuronique réaliste, basé sur des données anatomiques et physiologiques, et relié à des robots (réels ou simulés) pour évaluer son fonctionnement. REALNET vise une vision radicalement différente des «calculs» effectués dans notre cerveau central, posant les bases de nouvelles utilisations dans des systèmes sensoriels, cognitifs et de contrôle moteur.

Contrôle mental: des ordinateurs pour aider l'homme

La recherche en TIC sur le cerveau vise à découvrir comment il fonctionne, mais aussi à concrétiser un rêve aussi vieux que les contes de fées ou les songes tout éveillé: le contrôle mental direct du monde physique, pour déplacer des objets rien qu'en y pensant.

L'une des plus belles contributions que pourrait faire la recherche sur le cerveau serait d'aider les victimes d'accidents de la route, de tétraplégies ou du syndrome de déafférentation motrice. Des millions d'Européens souffrent d'une déficience motrice qui limite leur capacité de déplacement, d'interaction ou de communication avec les autres.

Le projet BRAINABLE qui s'étend sur trois ans, a reçu 2,3 millions d'euros pour concevoir et intégrer des systèmes d'interface cerveau-ordinateur, d'intelligence ambiante, de réalité virtuelle et autres qui, associés, promettent l'autonomie à ces personnes handicapées.

«Nous voulons donner aux handicapés moteurs autant d'autonomie que le permet la technologie actuelle, afin d'améliorer grandement leur qualité de vie», déclare Felip Miralles du Barcelona Digital Technology Centre, un centre espagnol de recherche en TIC, qui coordonne le projet.

En associant les interfaces cerveau-ordinateur et d'autres technologies d'assistance, les chercheurs on pu contrôler à distance un robot pour qu'il se déplace dans la maison, améliorant la capacité des patients à communiquer avec les autres personnes. Les chercheurs de BRAINABLE s'affranchissent de la lenteur de réaction des précédents systèmes en intégrant l'informatique dans leur plateforme, de sorte que le système reconnaît le contexte et les habitudes de l'utilisateur, et peut agir à l'avance. Ce système va même jusqu'à simplifier l'accès à des réseaux sociaux comme Twitter et Facebook, qui sont de plus en plus importants pour aider les handicapés à surmonter l'isolement social.

Le projet MINDWALKER, financé par l'UE, est une autre application impressionnante des interfaces cerveau-ordinateur. Elle pourrait aider les milliers de personnes en Europe qui sont paralysés suite à une blessure de la moelle épinière. Le projet travaille au contrôle mental d'un exosquelette robotisé qui pourrait aider ces patients à marcher de nouveau, mais aussi à rééduquer les victimes d'accidents cérébrovasculaires ou les astronautes qui doivent récupérer leur musculature après un long séjour en apesanteur.

Les interfaces cerveau-ordinateur sont en général invasives, exigeant de placer des électrodes directement dans les tissus cervicaux, ou bien utilisant un «bonnet humide» placé sur la tête avec des gels spéciaux pour réduire la résistance électrique. Le projet MINDWALKER utilise un bonnet «sec» équipé d'une électronique de pointe pour amplifier et optimiser les signaux du cerveau.

«Le patient enfile lui-même le bonnet d'EEG à sec, en moins d'une minute, comme un bonnet de natation», explique Michel Ilzkovitz coordinateur du projet chez Space Applications Services, en Belgique.

L'équipe a également conçu une nouvelle stratégie de marche, équilibrée à l'arrêt et visant à se déplacer par très petits pas. Elle est caractérisée par une perte d'équilibre contrôlée dans la direction de la marche, plus naturelle pour reproduire la marche de l'homme.

«Cette méthode de marche à 'cycles limites' a été mise en œuvre à l'aide d'un modèle prédictif du comportement du patient et de l'exosquelette, pour contrôler ce dernier pendant la marche», ajouter M. Ilzkovitz. L'efficacité renforcée signifie que l'exosquelette a davantage d'autonomie dans l'espace et utilise des batteries moins lourdes.

Les handicaps physiques ne se limitent pas à la mobilité. Ils peuvent contribuer à la marginalisation de la victime face à la société et entraver leur implication dans le monde moderne. Le projet ASTERICS a travaillé à un système d'aide qui facilite et améliore les communications des handicapés moteurs au niveau des membres supérieurs, en associant une interface cerveau-ordinateur avec des actionneurs simples pour contrôler un ordinateur.

À son terme en décembre 2012, le projet avait réalisé un produit donnant accès à divers appareils (tels que des ordinateurs, téléphones portables et systèmes de domotique), dont les fonctionnalités sont intégrées à une plateforme adaptable à chaque personne. Il est disponible en tant que logiciel open source et sous forme d'appareil tout prêt vendu par des distributeurs.

Ce genre de prothèse pourrait améliorer des milliers de vies. Dans la seconde partie de cet article nous découvrirons certaines des autres applications médicales de la recherche en TCI relatives au cerveau et financée par l'Union européenne.

Les projets présentés dans cet article ont été soutenus par le programme-cadre pour la compétitivité et l'innovation (CIP) du programme d'appui stratégique en matière de TCI, ou par le septième programme-cadre (7e PC) pour la recherche.

Lien au projet sur CORDIS:

- le 7e PC sur CORDIS
- Fiche d'information du projet CEEDS sur CORDIS
- Fiche d'information du projet BRAINSCALES sur CORDIS
- Fiche d'information du projet REALNET sur CORDIS
- Fiche du projet BRAINABLE sur CORDIS
- Fiche du projet MINDWALKER sur CORDIS
- Fiche d'information du projet ASTERICS sur CORDIS

Lien au site web du projet:

- Site web du Human Brain Project
- Site web du projet «Collective experience of empathic data systems»
- Site web du projet «Brain-inspired multiscale computation in neuromorphic hybrid systems»
- Site web du projet «Realistic real-time networks: computation dynamics in the cerebellum»
- site web du projet «Autonomy and social inclusion through mixed reality 'Brain-Computer Interfaces': connecting the disabled to their physical and social world»
- Site web du projet «Mind controlled orthosis and VR training environment for walk empowering»
- Site web du projet «Assistive technology rapid integration and construction set»

Liens aux actualités et articles connexes:

- Article sur le blog de la commissaire Kroes concernant le mois européen du cerveau: «the EU and US putting our grey matter together»
- Communiqué de presse de la CE: L'octroi de 150 millions d'euros en faveur de la recherche sur le cerveau lance le «mois européen du cerveau»
- Questions et réponses de la CE: Questions and answers on 'European Month of the Brain', en anglais uniquement
- Site web de la CE sur le mois européen du cerveau, mai 2013, en anglais uniquement
- Évènements connexes au mois européen du cerveau, mai 2013, en anglais uniquement
- Une interface cerveau-ordinateur plus performante, qui promet une autonomie inégalée pour les personnes handicapées
- Un exosquelette contrôlé par la pensée pour aider les handicapés à remarcher

Autres liens:

- Site web de la stratégie numérique de la Commission européenne