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CONTROLE CORTICAL DES MOUVEMENTS DE SAISIE MANUELLE : DU SINGE AU ROBOT – GRASP

Contrôle des mouvements de saisie manuelle chez les primates non-humain et les robots

Ce projet vise à étudier les mécanismes de contrôle de la dextérité manuelle chez le primate non-humain en vue d’optimiser le contrôle d’une main robotique anthropomorphique

Interface cerveau-machine pour le contrôle d’une main robotique anthropomorphique

L’objectif final de ce projet est de développer une interface cerveau-machine (ICM) pour le contrôle d’une main robotique par une modulation volontaire de l’activité corticale des aires motrices chez le singe macaque. Dans ce but, ce projet implique l’utilisation d’une main mécanique dont l’architecture est inspirée des structures biologiques. La main mécanique inclue neuf degrés de libertés (ddl) sur deux doigts (4 pour l'index 5 pour le pouce) et deux ddl sur le poignet suffisant pour la réalisation de mouvements de saisie manuelle complexes. Ces mouvements sont produits par des muscles artificiels impliquant une coordination entre muscles agonistes et antagonistes. Nous démontrerons qu’une main intégrant ces différentes propriétés favorisera son contrôle par les signaux électro-physiologiques. En particulier, nous considérons que l'utilisation de l'ICM en mode «on-line« reliant l’activité corticale et l’activité des muscles artificiels en temps réel sera nécessaire pour permettre l'étude de la flexibilité (l'extension) de l'espace de travail des mouvements appris. Finalement, nous analyserons le rôle du feed-back cutané au cours de la manipulation d’objets par le singe et implémenterons un contrôle similaire pour le robot.

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

L'homme et les primates non humains se caractérisent par leur dextérité pour saisir et manipuler les objets. La coordination entre le contrôle de la force et de la position est un aspect essentiel de la dextérité. Les systèmes biologiques et artificiels se distinguent par leur stratégie de contrôle de cette coordination. Pour les systèmes biologiques, le contrôle de la force et de la position sont étroitement liés par les propriétés des muscles et par l'organisation des voies de contrôle d'origine corticale. A l'inverse, les systèmes artificiels tendent à dissocier le contrôle de la position et de la force en contrôlant des moteurs électriques à chaque articulation. Il existe un intérêt croissant pour développer des robots pouvant être utilisés dans des interfaces cerveau-machine (ICM) pour la restauration des fonctions motrices chez les patients paralysés. A ce jour, aucune ICM ne permet de recréer le couplage précis entre position et force, tel qu'il est observé chez les primates. L'atteinte de ce but nécessite inévitablement un effort en recherche fondamentale en vue de préciser comment le cortex moteur contrôle les mouvements de saisie.
Ce projet vise à comprendre comment le contrôle de la force et de la position sont intégrés dans le cortex moteur primaire (aire MI) du singe éveillé. Notre premier objectif sera d'analyser comment l'activité de large populations de neurones enregistrés simultanément permet de combiner le contrôle de la position et de la force. Puisque ces 2 niveaux de contrôle sont étroitement liés par les propriétés des muscles,,nous planifions d'enregistrer l'activité des muscles du bras et de la main pour évaluer leur relation avec l'activité neuronale au niveau cortical. Finalement, nous analyserons de quelle manière le feed-back sensoriel module l'activité corticale après le contact avec l'objet.
Sur la base de cette approche fondamentale, nous développerons une interface pour le contrôle de la cinématique et de la force d’une main anthropomorphique, afin de répliquer le comportement de l’animal. Dans ce but, l’architecture du robot devra être inspirée des structures biologiques pour optimiser le contrôle par les signaux électro-physiologiques. En particulier, le robot devra inclure un nombre de degrés de libertés suffisant pour la réalisation d’une pince de précision, ses mouvements devront être produits par des muscles artificiels mettant en jeu une mobilisation antagoniste et permettant un contrôle de la force et de la rigidité. Nous considérons qu’une interface directe entre l’activité corticale et l’activité des muscles artificiels est nécessaire pour un contrôle combiné de la position et de la force. Finalement, nous analyserons le rôle du feed-back cutané au cours de la manipulation d’objets par le singe et implémenterons un contrôle similaire pour le robot.
Deux équipes à Marseille (Partenaire 1) et Paris (Partenaire 2) sont impliquées dans ce projet. Ces équipes utilisent des techniques de pointe en électrophysiologie et en contrôle des systèmes pour comprendre les mécanismes cérébraux mis en jeu dans le contrôle des mouvements du membre supérieur. Le partenaire 1 utilise une plateforme multi-électrode haute-densité (96 électrodes) pour les enregistrements intra-corticaux. Le partenaire 2 combine une très grande expertise en électrophysiologie et en contrôle des systèmes. Il a récemment développé une interface pour le contrôle de la position et de la force d’un doigt anthropomorphique déplaçant un levier. Ce projet développera ces approches pour le contrôle des mouvements de saisie impliquant 2 doigts et plusieurs niveaux de force. Il dégagera un ensemble de principes fonctionnels indispensables pour le contrôle de la dextérité manuelle chez l’homme, le primate non-humain et le robot.

Coordinateur du projet

Monsieur Thomas Brochier (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE PROVENCE ET CORSE) – thomas.brochier@univ-amu.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS-DR12/INT CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE PROVENCE ET CORSE
CNRS UNIVERSITE DE PARIS V - RENE DESCARTES

Aide de l'ANR 319 998 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2012 - 36 Mois

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