Cours interface cerveau machine mars 2010
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Interface cerveau -machine JP Hugnot MCU UM2 INSERM U583 Avril 2009 1-Le cerveau: une machine comme une autre, principes de fonctionnement 2- Interfaces Cerveau-Machine -Pourquoi faire- Concept de Base 3-Travaux pionniers 4-Les Neuroprothèses: Implants Cochléaires, Rétine artificielle 5-Contrôle du mouvement et d’appareils par la pensée (technique invasives et non invasives) 6-Traitement des mouvements anormaux par implantation d’électrodes 7-Les neuro-puces-Des neurones et des cellules souches sur du silicium 8-Problèmes à résoudre, l’avenir 1-Le système nerveux principes de fonctionnement une machine comme une autre ? L’unité de base: le neurone 1011 dans le cerveau 10 000 types neurotransmetteurs caractéristiques électrophysiologiques interneurones + neurones avec projection morphologies (interneurones, pyramidaux,... Composant de base du neurones: les canaux ioniques: plusieurs centaines de types plusieurs dizaines de milliers de combinaison Responsables des propriétés électriques du neurone et de son pattern de décharge Qql exemples de pattern de décharge Fonctionnement en réseau des neurones Exemple d’une carte de connection chez C Elegans (ganglion de queue) Présence de générateur de pattern dans le système nerveux Exemple générateur de marche dans la moelle épinière • Les modèles animaux ont établit que la locomotion s’organise autour de réseaux qui donnent le rythme et la séquence musculaire. Décharges de neurones liées à l’orientation d’une barre en déplacement Décharges des neurones « miroirs » Le cablage du cerveau Image de fiber tracking Un cerveau humain a 20 ans contient 176 000 km de fibres myélinisées (149 000 km chez la femme) Un cablage très long: certaines cellules nerveuses font 1, 70 m Aires et fonctions cérébrales Le cortex: 1.5m2, 4mm d’épaisseur Aires primaires prennent en charge en premier le codage des informations sensorielles ainsi que la commande et l'exécution des mouvements Cortex primaire auditif Cortex primaire vestibulaire Cortex primaire visuel Cortex olfactif et gustatif Cortex somesthésique primaire Cortex moteur primaire Aire motrice de Broca Aires Primaires Cortex associatifs Vue latérale Aires primaires sensorielles et motrices Vue médiale Seulement une petite partie du cortex (tiré de Purves) Le cortex moteur et les aires motrices Aire 4: Cortex moteur primaire Aire 6: Cortex moteur secondaire ou prémoteur: 2 divisions Carte somatotopique et l’ Homonculus sensitif Latéralisation fonctionnelle Œil Rétine Aire primaire Cortex occipital Thalamus Aire secondaire Aire associatives: disséminées Signification, Mots… 2- interfaces cerveau-machine Pourquoi faire Concept de Base Syndromes neurologiques Pathologies (accident vasculaire cérébral,sclérose en plaque, …. Traumatisme (accident de voiture) Pathologies congénitales Vieillissement de la population Perte de la vision, de l’audition, de la mobilité, déficit cognitifs, … Entrées Audition vision olfaction gustation Somesthésie Toucher, thermoception, nociception, proprioception équilibre Organes internes (battements, miction Mouvements Parole Pensée, Emotions Sorties Entrées Neuroprothèses sensorielles (implants cochléaires,… Neuroprothèses motrices (bras mécaniques,.. Ordinateurs, robots,… Sorties Neuroprothèses Système nerveux Ordinateurs, Robot Biologique Analogique Electronique, numérique Interface cerveaumachine Science du traitement du signal Travaux pionniers de neurophysiologie Etablissement des cartes corticales (vision, motricité, ..) Enregistrement de neurones ou de populations de neurones pendant que l’animal fait un mouvement, une tache,… Traitement du signal, Etablissement de corrélations entre l’activité neuronale et la tache Codage du mouvement par l’aire 4 Apostolos Georgopoulos, 1980 Ces neurones déchargent plus fréquemment lorsque le singe dirige le levier vers 135oC Codage du mouvement par l’aire 4 Etablissement d’une relation mathématique entre la direction du mouvement et le type de décharge du neurone Mesure de l’activité unitaire d’un neurone de cerveau d’un singe éveillé durant une tache comportentale Tiré du Purves Les neurones attentionnels du cortex pariétal du singe Cortex parietal postérieur Image inintéressante Image intéressante (associée à une récompense par exemple Tiré du Purves Traitement et Décodage du Signal Visuel Film projetée Enregistrement de 177 cellules dans le thalamus Images reconstituées à partir de l’enregistrement des neurones ^ G. B. Stanley, F. F. Li, and Y. Dan. Reconstruction of natural scenes from ensemble responses in the LGN, J. Neurosci., 19(18):8036-8042, 1999 Entrées Les neuroprothèses sensorielles Prothèse auditive Audition transduction mécanoélectrique Cellules ciliées transduction mécanoélectrique Implant Cochléaire ou L'oreille artificielle, en ligne directe avec le cerveau Electrode Prothèse visuelle Vision 1/ connexion caméra digitale cerveau Vision 2/ Implantation directe d’une rétine artificielle Sorties Neuroprothèse motrices, Ordinateurs, … Exosquelette 1965 Communication Birbaumer et al., Nature, 1999 Principe: Interface invasive ou non invasive Nécessité d’un apprentissage dit opérant Le cerveau du sujet apprend au cours des séances à bouger le bras du robot Interfaces invasives Implantation de multielectrodes (qql centaines) dans le cortex moteur 128 Electrodes Miguel Nicolelis (2003), Duke University Dans cette expérience, après plusieurs séances d’entraînements, le singe peut commander le mouvement du robot par la pensée Interface non invasives EEG, MEG, fMRI 4-fcz 3-fc1 2-fc3 TJG S3 Runs 6 8 12: fft/pca, λ =-0.432, r2=0.653 for targets [1 2],[27 27] trials at 22.5Hz (bin 8) 1-fc5 0.25 N/A 0.2 00:00:00 00:00:01 0.15 0.1 EEG 0.05 Electroencephalographie -0.1 0 -0.05 -0.15 -0.2 -0.25 MEG Magnetoencephalographie fMRI Résonance magnétique nuclaire fonctionnelle Contrôle du mouvement d’un robot par la pensée par une interface non invasive 6-Cas particulier des mouvements anormaux • • • • • Maladie de Parkinson Maladie de Huntington Dystonies Ataxie … 7-Neuropuce - Neuro-interfacing Interaction neurons-silicium Dépôt de neurones sur une surface composés de transistor à effet de champs 1995 Peter Fromhertz, un physicien Allemand de l’institut Max Planck, a mis au point un procédé de mesure efficace et ingénieux : la jonction neurone silicium. Exemple d’une neurochip Pine Lab (Maher et al., 1999; Erickson et al., 2008) Connections entre les neurones au cours du temps Une fois qu’ils ont obtenus des neurones, ils y a deux phases : Phase d’apprentissage : culture stimulée 10 fois avec 1 des 4 patterns de stimulation. Phase utilisée pour « calibrer » le logiciel d’analyse (ITSOM). Inductive Tracing Self Organizing Map F B L R Canaux Temps d’intervalle des stimuli Recueil et analyse des signaux: établissement d’une relation: signal recueilli=f(pattern) Command La creature bionique Robot Left Left Forward Backward Backward Backward Left Left Left Left Source : Présentation de rita pizzi disponible sur http://www.dti.unimi.it/~pizzi/research.html 10-L’Avenir: Assistance de conduite, vigilance … internet en direct, télépathie, pilotage de robot Internet Lire dans les pensées ?? Neuron du 10 décembre 2008, Volume 60, Issue 5, pages 915 à 929 : "Visual Image Reconstruction from Human Brain Activity using a Combination of Multiscale Local Image Decoders", par Yoichi Miyawaki, Hajime Uchida, Okito Yamashita, Masa-aki Sato, Yusuke Morito, Hiroki C. Tanabe, Norihiro Sadato etYukiyasu Kamitani.
