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Une nouvelle représentation du vivant (DS0401)
Edition 2014


NEUROWHISK


Vers des interfaces cerveau-machine plus performantes: intégration d'un retour sensoriel dans un conditionnement opérant de neurone unitaire

Vers des interfaces cerveau-machine plus performantes : Intégration d'un retour sensoriel dans un conditionnement opérant de neurone unitaire
Ce projet s'intéresse au codage neuronal dans les cortex sensoriel et moteur d'un animal libre de ses mouvements. En particulier, nous déterminerons l'importance du retour sensoriel sur l'apprentissage d'une tâche de contrôle moteur d'une neuroprothèse.

Amélioration de l'apprentissage d'une neuroprothèse motrice par incorporation d'un retour sensoriel
L'objectif majeur de ce projet est d'étudier l'incorporation d'un retour sensoriel dans une neuroprothèse motrice. Deux approches générales peuvent être envisagées. D'un côté, le retour sensoriel peut être conçu de manière à mimer un retour sensoriel naturel, les motifs d'activité imposée étant alors calqués sur des motifs codant l'action ou de la perception à représenter. D'un autre côté, une approche adaptative peut être choisie, où des motifs arbitraires codent le retour sensoriel, le système neuronal devant alors apprendre par essai et erreur. Actuellement, l'approche biomimétique reste limitée car nous ne sommes pas en mesure d'enregistrer et/ou stimuler de grands nombres de neurones, ni d'ailleurs de comprendre l'étendue de leurs capacités de codage. Cette contrainte, ajoutée au fait que des processus plastiques existent certainement dans toute neuroprothèse même biomimétique, nous conduit à proposer d'explorer l'approche adaptative à la fois pour la partie motrice et la partie sensorielle de nos expériences.
Nous utilisons le système somatosensoriel du rongeur comme modèle, et plus particulièrement la partie dédiée aux vibrisses sur le museau de l'animal. Les rongeurs utilisent ces organes tactiles pour percevoir et naviguer dans leur environnement, de la même façon que nous utilisons nos doigts. L'utilisation de ce modèle permet, relativement facilement – comparé aux primates non-humains –, d'effectuer des expériences sur des animaux éveillés effectuant un comportement. De plus, nous bénéficions des connaissances accumulées depuis 40 ans sur ce système.
Sur le long-terme, nous espérons montrer une amélioration de la performance d'une neuroprothèse motrice simple lorsqu'un retour sensoriel est fourni. Ces données peuvent ouvrir la voie à de nouvelles techniques utilisables dans les neuroprothèses chez l'humain.

Développement d'une neuroprothèse en boucle fermée et en temps réel, combinant un retour sensoriel et l'enregistrement de l'activité neuronale chez le rongeur.
Dans la Tâche 1, nous avons développé une tâche de discrimination vibrissale chez le rat dans un labyrinthe en T modifié. Pour cela, nous avons construit un labyrinthe entièrement automatisé dans lequel le comportement de l'animal est contrôlé par des portes motorisées, des détecteurs de position, des stimuli motorisés, et des distributeurs de récompenses. Ce labyrinthe fonctionnel nous permet d'entraîner des rats sur des périodes de plusieurs mois, et donc de tester leurs capacités d'apprentissage de tâches vibrissales.
Dans la Tâche 2, nous sommes en train de construire un nouveau poste expérimental pour la souris tête-fixée, incluant l'acquisition électrophysiologique et une stimulation lumineuse. Cette dernière peut être effectuée via une fibre optique implantée sur le crâne et reliée à un système à diode laser, ou via un projecteur à micro-mirroirs permettant une stimulation structurée.

Résultats

Dans la tâche de discrimination explorant les capacités tactiles du rat, les animaux ont montré qu'ils peuvent différencier une surface lisse d'une surface présentant un motif régulier de barres. Leur performance était diminuée si cette dernière était remplacée par un motif irrégulier de barres. Nous avons montré que cette performance dépend des vibrisses et dépend du cortex somatosensoriel primaire. Ces résultats font l'objet d'un article en cours de rédaction (Kerekes, Daret, Shulz & Ego-Stengel, in preparation) qui sera soumis à Journal of Neuroscience. Cette nouvelle tâche peut servir à explorer plus en détail les capacités de discrimination tactile du rat, et pourrait être adaptée à la souris.
Dans les tâches 2 et 3, qui devraient à terme donner les résultats les plus intéressants du projet concernant les neuroprothèses, nous sommes encore à un stade de développement. Nous espérons montrer que l'intégration d'un retour sensoriel améliore l'apprentissage et la performance de l'apprentissage d'une neuroprothèse motrice.

Perspectives

Dans ce projet, nous espérons contribuer à la fois à une meilleure connaissance des mécanismes neuronaux sous-jacents à la perception et l'action, et au développement de nouvelles neuroprothèses plus efficaces. Nous nous intéressons particulièrement au potentiel d'adaptation des réseaux neuronaux. En effet, l'utilisation de l'activité de ces réseaux afin de contrôler des actuateurs remplaçant les muscles est un des fondements de l'approche Interfaces-Cerveau-Machine. Nous espérons que notre projet permettra également de rapprocher le domaine de la recherche fondamentale de mécanismes neuronaux et le domaine de l'application chez l'humain, ce qui pourrait accélerer les premières neuroprothèses réellement utilisables par les patients.

Productions scientifiques et brevets

Les résultats issus des expériences de comportement de la tâche 1 font l'objet d'un article en cours de rédaction (Kerekes et al, sera soumis à J Neuroscience) et seront présentés sous forme de poster aux congrès de la FENS 2016 et probablement SfN 2016.
Plusieurs conférences invitées ont été données pour présenter le projet des tâches 2 et 3.

Partenaires

UNIC Unité de Neuroscience, Information et Complexité

Aide de l'ANR 398 653 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

Notre projet de recherche est centré sur l'étude des motifs spatiotemporels d'activité neuronale sous-tendant l'apprentissage d'une nouvelle tâche comportementale, ici l'utilisation d'une neuroprothèse motrice dans laquelle on aura incorporé un retour sensoriel.
Tout au long de leur vie, les animaux apprennent de nouvelles informations et les intègrent à leur corpus de connaissances. Ce processus est nécessaire afin d'adapter le comportement de manière optimale à un environnement en évolution permanente. Cet apprentissage implique des modifications dans les structures neuronales du cerveau adulte, et ce sur des échelles de temps multiples. Notre objectif général au laboratoire est la compréhension des mécanismes neuronaux mis en jeu dans les réseaux de neurones corticaux pendant la mémorisation de nouvelles expériences. Nous voulons mettre en évidence les motifs spatiotemporels qui peuvent déclencher des règles de plasticité cellulaire et de connectivité au niveau des cortex sensoriels primaires et moteurs.
Dans cette optique, les neuroprothèses offrent une approche interdisciplinaire intéressante. Ce domaine de recherche s'intéresse à la réalisation d'une interface entre le cerveau, un objet robotique et notre environnement sensoriel, avec le but de rétablir une suppléance sensorielle ou une capacité de d’action que le sujet n'avait plus. Outre l'intérêt médical évident de redonner à terme une certaine autonomie à des patients atteints de déficits moteurs ou sensoriels, les neuroprothèses permettent de tester causalement des hypothèses sur le codage neuronal et les mécanismes de plasticité centrale. Le versant moteur d'une prothèse analyse l'activité de décharge d'un ou plusieurs neurones à l'aide de règles prédéfinies afin de contrôler des actuateurs externes, en leur imposant un mouvement ; il s'agit ainsi de lire l'activité neuronale. Du côté sensoriel, l'interface doit fournir au cerveau des informations sur les stimuli afférents : il faut dans ce cas encoder la réafférence en motifs de décharge, donc écrire le code neuronal directement dans les réseaux. Dans les deux cas, la performance de la neuroprothèse implique certainement une adaptation des éléments neuronaux en contact avec l'interface. Il s'agit donc naturellement d'une approche dans laquelle on peut étudier la nature et l'étendue des mécanismes de plasticité à l'oeuvre lors d'un apprentissage.
Dans les dernières quinze années, la conception de neuroprothèses efficaces est devenu un objectif majeur de la recherche visant à améliorer les conditions de vie de patients amputés ou tétraplégiques. Cependant, les prototypes réalisés jusqu'ici sont souvent rejetés par les patients : ceux-ci leur trouvent des capacités trop restreintes, et ne réussissent pas à les « sentir » comme des parties intégrantes de leur corps. Afin d'améliorer à la fois la dextérité de la neuroprothèse et son appropriation par le patient, les chercheurs doivent absolument incorporer un retour sensoriel permettant de « sentir » l'actuateur robotique dont l'utilisation doit devenir naturelle.
Dans ce projet, nous proposons d'explorer l'incorporation d'un retour sensoriel pendant la manipulation d'un actuateur robotique en utilisant le système sensorimoteur des vibrisses du rat comme modèle expérimental. Dans la continuité de nos travaux précédents, l'activité de neurones individuels du cortex moteur sera entraînée, par conditionnement opérant, à contrôler le déplacement d'un actuateur portant une récompense. Nous introduirons des signaux tactiles directement sur les vibrisses du rat, ou par microstimulation électrique dans le cortex somatosensoriel, et nous évaluerons leur impact sur l'efficacité et la robustesse de la neuroprothèse. Les résultats devraient améliorer notre compréhension des mécanismes fondamentaux sous-tendant le traitement neuronal et sa plasticité, une étape importante pour la construction de neuroprothèses ergonomiques.

 

Programme ANR : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401) 2014

Référence projet : ANR-14-CE24-0019

Coordinateur du projet :
Madame Valérie Ego-Stengel (Unité de Neuroscience, Information et Complexité)

 

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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.