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S'exprimer en lisant le cerveau

Israël Technologies

Des chercheurs de l'UCLA et du Technion ont réussi à décoder des voyelles à partir de l'activité neuronale qui conduit à leur articulation - une conclusion qui pourrait permettre à des personnes paralysées de "parler" grâce à une interface cerveau-ordinateur. 

Le Prof. Shy Shoham et le Dr. Ariel Tankus du Département de génie biomédical de Technion, avec le Professeur Itzhak Fried de l'Université de Californie Los Angeles (UCLA) et de l'Université de Tel Aviv et le département du centre médical de neurochirurgie, ont décrit la manière dont les neurones, dans différentes régions du cerveau humain, encodent les différents segments de parole (voyelles) au cours de leur articulation dans la prestigieuse revue scientifique Nature1. 

Cette découverte permettra indirectement aux scientifiques de décoder le contenu du discours des sujets sur la base de l'activité du cerveau seul. Une des applications possibles du décodage de la parole à partir de l'activité cérébrale est la création d'une interface cerveau-ordinateur qui permet de restaurer les facultés de la parole chez les personnes paralysées qui ont perdu la faculté de s'exprimer.

 "Il ya des maladies dans lesquelles le corps entier du patient est paralysé, il est effectivement"enfermés" (locked-in syndrome) et est incapable de communiquer avec l'environnement, mais son esprit fonctionne encore", explique le professeur Shoham, chef du Neural Interface Engineering Laboratory du Département de génie biomédical du Technion.

 "Notre objectif à long terme est de restaurer la capacité de ces patients à parler en utilisant des systèmes qui comprennent des électrodes implantées dans le cerveau, le décodage de l'activité neuronale qui correspond à la parole, et la production artificielle de sons simulant la parole.

 A cet effet, nous avons voulu d'abord comprendre comment l'information sur la syllabe articulée est codée dans l'activité électrique d'un neurone individuel dans le cerveau, et ensuite d'une population de neurones. Dans nos expériences, nous avons identifié des populations de cellules qui participent distinctement à cette représentation. 

Par exemple, cellules que nous avons enregistrées dans une zone du lobe frontal médial qui comprend le cortex cingulaire antérieur nous ont surpris dans la manière dont elles représentent certaines voyelles mais pas d'autres, même si la zone n'est pas nécessairement connue comme ayant un rôle majeur dans le processus de production de la parole". 

Les expériences ont été menées dans l'UCLA Medical Center, avec la participation de patients épileptiques, dont des électrodes profondes ont été implantées dans le cerveau par le Prof Fried et son équipe. L'objectif de l'implant est de localiser le foyer épileptique, qui est la zone du cerveau où les crises d'épilepsie commencent. 

 Après avoir été opérés, les patients ont été hospitalisés pour une semaine ou deux avec les électrodes dans leur cerveau, en attendant l'apparition de crises spontanées. Pendant ce temps, le Dr Tankus, qui était un chercheur post-doctoral à l'UCLA et est actuellement chercheur au Technion, a mené des expériences dans lesquelles il a demandé aux patients de formuler des voyelles ainsi que les syllabes comprenant une consonne et une voyelle, et a enregistré la résultant de l'activité neuronale dans le cerveau.

 Les chercheurs ont découvert deux populations de neurones qui codent l'information à propos de la voyelle articulée d'une manière totalement différente. Dans la première population, identifiée dans le lobe frontal, chaque neurone encode seulement un ou deux voyelles en modifiant sa cadence de tir, mais ne modifie pas son activité quand les autres voyelles sont articulées. 

 Cependant, dans la deuxième population, située dans le gyrus temporal supérieur, chaque neurone réagit à toutes les voyelles testées, mais la force de réaction de la cellule change graduellement entre deux voyelles. 

La compréhension de la représentation par le cerveau de la production de la parole constitue une étape importante dans la voie de décodage de l'activité cellulaire à l'aide d'un ordinateur, comme le Dr Tankus explique: "Nous avons développé un nouvel algorithme qui améliore la capacité à identifier à partir de l'activité cérébrale quelle syllabe a été formulée, et cet algorithme nous a permis d'obtenir des taux très élevés d'identification. 

 Sur la base des résultats actuels, nous menons actuellement des expériences à la création d'une interface cerveau-machine qui va restaurer les facultés de la parole à des individus handicapés et dans l'incapacité de s'exprimer.