CORTICAL SIGNALS FOR THE CONTROL OF HAND GRASP: FROM MONKEYS TO ROBOTS – GRASP

La dextérité manuelle s’exprime tout particulièrement lors de la réalisation de mouvements de saisie et de manipulation d’objets. Une caractéristique essentielle de ces mouvements est le contrôle coordonné du positionnement des doigts sur l’objet et des forces appliquées sur la surface de l’objet. Cette coordination est une clef essentielle pour l’exécution de mouvements efficaces et précis. A ce jour, toutes les interfaces cerveau-machine pour le contrôle des mouvements de saisie se sont focalisées sur le contrôle positionnel des doigts, sans contrôle volontaire de la force. Notre projet vise à comprendre comment l’activité des aires motrices corticales chez le primate non-humain gère le contrôle coordonné de la position et de la force au cours de la saisie manuelle. Sur la base de cette approche fondamentale, nous viserons à développer un mode de contrôle similaire pour la main robotique. Cette étape sera essentielle pour le développement d’une interface cerveau-machine performante pour le contrôle des mouvements de la main.

Dans cette partie initiale, nous avons mis en place les fondations du projet en parallèle dans les 2 laboratoires partenaires. Chez le primate non-humain à Marseille, nous avons développé une tâche de saisie manuelle dans laquelle les paramètres de position des doigts et les forces de contact doivent être précisément contrôlés par l’animal. Sur la base d’enregistrements corticaux haute densité impliquant jusqu’à 96 électrodes en parallèle, nous avons pu démontrer chez un premier animal que les mouvements dans notre tâche expérimentale mettent en jeu une modulation de l’activité corticale présentant des caractéristiques temporelles et spatiales spécifiques. Nous analysons actuellement comment cette activité coordonne le contrôle précis de la position et de la force au cours du mouvement. Dans le laboratoire Parisien, tous les éléments nécessaires à la réalisation de mouvements de saisie complexes par la main robotique ont été réunis. Le dispositif expérimental utilisé chez le primate non-humain a été reproduit pour la main robotique. La structure mécanique ainsi que le système de contrôle à bas niveau de la main robotique ont été modifiés pour inclure 2 degrés de libertés supplémentaires au niveau du poignet pour une plus grande flexibilité de mouvements. Cette main sera elle-même fixée à l’extrémité d’un bras robotisé pour son transport vers l’objet. Finalement, le contenu ICM du système de contrôle, développé au sein du CESEM lors de projets antérieurs pour contrôler un seul doigt sur la base des modulations d’activité d’un maximum de 6 neurones, a été étendu dans le but de pouvoir contrôler la main robotique à deux doigts (pouce et index) sur la base des modulation d’activité d’une large population de neurones enregistrés par les 96 électrodes de la matrice haute densité du singe.

Les perspectives de ce projet s’inscrivent dans le cadre des évolutions à venir dans le domaine de la réhabilitation fonctionnelle de patients paralysés. L’impossibilité de saisir les objets de l’environnement pour les manipuler est l’une des conséquences les plus dramatiques de la paralysie. La restauration de cette fonction essentielle par le biais d’une interface cerveau-machine flexible et performante, conduirait à un gain d’autonomie incontestable pour une large population de patients.

RAS

The dexterity of the hand in grasping and manipulating objects is one of the distinctive properties of human and non human primate. One essential characteristic of the skilled use of the hand is that it requires the coordinated control and estimation of force and position before and during object manipulation. There is a striking difference in the way biological and robotic systems deal with this complex issue. In biological systems, control of position and force are closely linked by the properties of the muscles and by the organization of the descending motor pathways originating from the cortical motor areas. In contrast, artificial robotic systems usually consider motion control and force control as independent and potentially conflicting entities, which act on electrical motors at independent joints. There is a huge interest in developing robots that could be used in Brain-Machine-Interface (BMI) applications for the restoration of basic motor function in paralyzed patients. So far, none of the invasive BMI procedures allowed reproducing the precise coupling between force and position control that characterizes grasping in primates. Reaching this goal will require more basic research toward an understanding of how the motor cortex controls grasp.
In this project we will first attempt to understand how force and position control are integrated in the primary motor cortex (area MI) of behaving monkeys. Therefore our first objective is to analyze how the activity of large populations of simultaneously recorded neurons combines position and force control during grasp. Since these two types of control are closely linked by the properties of the muscles, we plan to record EMG activities in hand and arm muscles and evaluate their relationship with the modulation of cortical activity. Moreover the modulation of cortical activity by the cutaneous feed-back following object contact will also be investigated
Based on the data obtained from this fundamental approach, we will apply a combined kinematic and force control during object grasp onto an anthropomorphic robot to imitate the primate behavior. For this purpose, the robot actuators need to incorporate some key biological principles that should allow for the implementation of electro-physiological control signals. In particular, the robot should provide a sufficient number of mechanical degrees-of-freedom (DoFs, for thumb-index precision grip), its actuators should have intrinsic properties of impedance regulation such as artificial pneumatic muscles, and should incorporate an antagonist actuation for active control of grip force and stiffness. We assume that a direct mapping between cortical activity and muscle pressure, i.e. the control signal of pneumatic muscles, needs to be applied to control force and position during grasp in a coordinated way. Finally, we will investigate the role of cutaneous feedback during object manipulation in the behaving primate and implement a similar control in the robot.
Two teams based in Marseille (partner 1) and Paris (partner 2) will collaborate to reach the goals of this project. These two teams are using the most advance technologies in electrophysiology and systems control to understand the cerebral mechanisms involved in upper limb movement control. Partner 1 is using a 96 electrodes recording platform for massive parallel recordings in the monkey. This platform is unique in France and particularly suited for fundamental and BMI approaches. Partner 2 combines an excellent expertise in electrophysiology and systems control. He has acquired the essential knowledge to control the position and the contact forces of a biologically inspired robot finger for the displacement of a lever. This project will extend these results to more complex grasping movements involving two fingers and different force levels. It will reveal some unique functional properties required for the control of manual dexterity in human, non human primates and robots.