Cognition augmentée grâce à un dispositif d’interface cerveau-machine en boucle fermée – BrainAPP

Dans cette étude, deux singes macaques ont été formés pour effectuer des comportements complexes permettant l'isolement de l'orientation spatiale de l'attention, tandis que des enregistrements neuronaux multi-électrodes ont été effectués dans le cortex préfrontal (PFC), bilatéralement. Dans une expérience de neurofeedback en boucle fermée, nous avons utilisé des approches statistiques qui exploitent les méthodes d'apprentissage par apprentissage machine pour quantifier l'information corticale sur des essais comportementaux simples, avec une résolution temporelle élevée, et nous avons fourni aux singes des retour en temps réel de leur information attentionnelle corticale pendant l'exécution de la tâche.

Dans le même temps, les mêmes développements se déroulent avec des patients atteints d'épilepsie implantés, ainsi que de manière non invasive chez des sujets sains avec des techniques d'IRMF et de MEG.

En plus de l'augmentation des performances de lecture de l'attention spatiale, le neurofeedback en temps réel a entraîné des changements remarquables dans la dynamique neurale produisant des résultats comportementaux en cours d'analyse.

Des primates sont capables d’augmenter leurs capacités attentionnelles grâce à un dispositif de neuro-feedback en boucle-fermée, qui permet au sujet d’observer son activité corticale attentionnelle et de la modifier par sa propre volonté. Ces résultats ont des implications importantes pour augmenter les capacités cognitives de populations cibles.

1. Astrand E., Wardak C., Ben Hadj Hassen S., Baraduc P., Ben Hamed S. (2015) A closed-loop Brain-Machine Interface (BMI) for enhancing visuospatial attention in the non-human primate. Congrès de la Société des Neurosciences, Montpellier, 2015.
2. Ben Hamed S, Wardak C, Astrand E (2015). Real-time tagging of visual, saccadic, spatial memory and attention prefrontal representations. Congrès de la Société des Neurosciences, Montpellier, 2015
3. Di Bello F, Ben hadj Hassen S, Astrand E, Ben Hamed S (2016). Distractor suppression and distractor interference in the light of direct real-time access to the covert attentional spotlight from the frontal eye fields. Annual meeting of the Society for Neurosciences, San Diego, USA
4. Ben Hamed S, Wardak C, Astrand E (2016). Real-time tagging of visual, saccadic, spatial memory and attention prefrontal representations. Annual meeting of the Society for Neurosciences, San Diego, USA.

Organisation de symposium
Symposium retenu au sein de la société française des neurosciences, intitulé : ‘Interfaces cerveau-machines cognitives : des neurosciences fondamentales aux applications cliniques.’
Organisatrice : Suliann Ben Hamed, représentant BrainApp.
Intervenants : Elaine Astrand, représentant BrainApp, Klaus Pawelzik, Bremen, Allemagne, Nick Ramsey, Utrecht, Netherlands, Karim Jerbi, Montréal, Canada, Jérémie Mattout, Lyon, France.

A la jonction entre neurosciences et informatique, le domaine des interfaces cerveau-machine (BCIs) a connu, lors de la dernière décennie, une expansion remarquable. Son objectif général est d’assister les fonctions cognitives humaines, de les augmenter ou encore de les réparer.
Le projet présenté ici concerne un sous-champ des BCIs, à savoir celui des BCIs invasives et des prothèses neuronales. Jusqu’à présent, le but général de ce champ a consisté à rendre aux patients atteints d’un handicap moteur central ou périphérique un certain niveau de mobilité et d’indépendance, en utilisant les activités neurophysiologiques préservées afin de contrôler des systèmes externes (curseurs, écrans d’ordinateur, bras robotiques ou fauteuils roulants. Un des exemples les plus marquants de neuroprothèses palliatives consiste à utiliser l’activité neuronale du cortex moteur d’un patient tétraplégique de façon à l’aider à agir sur un ordinateur afin de se déplacer et d’interagir avec son environnement. Une avancée importante de ce domaine est la récente démonstration que d’autres signaux que les signaux du cortex moteur peuvent être utilisés pour contrôler des BCIs, e.g., en cas de lésion accidentelle ou vasculaire du cortex moteur..
De façon assez contrastante, les BCIs reposant sur la lecture des processus cognitifs de plus haut niveau tels que l’attention, la perception, l’intention ou la prise de décision, en sont encore à leurs débuts. Une étude récente montre par exemple que des signaux cognitifs en rapport avec la récompense attendue par le sujet, c’est-à-dire sa motivation, peuvent être décodés de l’activité corticale pariétale. Une autre étude montre que des signaux tels que l’attention et le calcul mental peuvent être utilisés pour contrôler une BCI. Des études plus récentes encore, dont les nôtres, montrent qu’il est possible d’accéder aux processus attentionnels des sujets en temps réel et que nous pouvons décoder, à partir de l’activité corticale, simultanément la structure de l’environnement visuel et ce que les sujets en perçoivent.
Ici, nous proposons d’aborder un aspect à peine effleuré des BCIs cognitives invasives à savoir les applications BCIs en boucle fermée destinées à augmenter la cognition ou à la restaurer. En d’autres termes, nous visons à entrainer des sujets à utiliser l’information cognitive contenue dans leurs signaux corticaux comme signal de retour (« biofeedback ») pour enrichir ce signal et en conséquence, augmenter leur performance cognitive.
Ces expériences seront réalisées sur un modèle animal ainsi que sur des sujets épileptiques pharmaco-résistants, implantés à des fins cliniques avec des électrodes corticales. Nous aurons trois objectifs :
1- Construire dans un modèle animal, une interface BCIs invasive en boucle fermée destinée à augmenter la performance cognitive. Le principe sera de fournir à l’animal un retour sur l’information cognitive contenue dans ses signaux corticaux de façon à l’amener, par renforcement positif, à améliorer ce contenu, et en conséquence à améliorer sa performance cognitive, c’est-à-dire son comportement.
2- Construire dans un modèle animal, une interface BCIs invasive en boucle fermée destinée à restaurer la performance cognitive. Il s’agira ici d’induire dans un premier temps un déficit cognitif grâce à des lésions pharmacologiques réversibles et d’utiliser ensuite la procédure développée à l’étape 1 pour restaurer la performance cognitive.
3- Construire une interface BCIs invasive en boucle fermée destinée à augmenter la performance cognitive, chez des sujets humains (patients épileptiques). Il s’agira donc d’une première étape de transfert de nos travaux du modèle animal vers les sujets humains.
Nous pensons que cette recherche ouvrira la voie à une toute nouvelle génération de BCIs aux applications diverses dans le domaine civil, militaire ou encore clinique.