Comment l'implant cérébral de Clinatec permet de commander un exosquelette par la pensée

Si un patient tétraplégique a pu marcher en commandant par la pensée un exosquelette, c'est grâce à une neuroprothèse inédite développée par le CEA Leti. Décryptage de cet implant au coeur de la prouesse présentée le 7 octobre par les chercheurs de Clinatec.

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Comment l'implant cérébral de Clinatec permet de commander un exosquelette par la pensée
Implantée sous la boîte cranienne, la neuroprothèse Wimagine capte et transmet en temps réel les signaux du cortex.

L'exosquelette n'est que la partie visible de la prouesse présentée par les chercheurs de l'institut grenoblois Clinatec le 7 octobre : permettre à un tétraplégique de mouvoir bras et jambes par la pensée. Au coeur du dispositif, une neuroprothèse inédite développée depuis dix ans par les équipes du CEA Leti. Constituée de deux implants cérébraux placés sous la boîte cranienne, au contact de la dure mère – membrane fibreuse entourant le cerveau -, cette prothèse est capable de capter et transmettre en temps réel les signaux électriques du cortex correspondant aux ordres de mouvement. Avec des performances spectaculaires.

« On n’avait jamais montré jusqu’à présent que l’on était capable de contrôler un exosquelette avec un aussi grand nombre de degrés de liberté, et avec cette approche, utilisant un dispositif cérébral sans fil pour mesurer des électrocorticogrammes», pointe Guillaume Charvet, chef de projet au sein du CEA Leti, interrogé par Industrie & Technologies à Grenoble en marge de la conférence de presse du 7 octobre. Parier sur cet implant semi-invasif, au contraire de la plupart des travaux menées dans le domaine de l'interface cerveau-ordinateur, a payé.

64 électrodes et des antennes en platine

Concrètement, l'implant, baptisé Wimagine, « est constitué de 64 électrodes ainsi que d’antennes en platine, avec un boitier réalisé en titane et fermé de manière hermétique, afin de garantir l’absence d’humidité » explique Guillaume Charvet. Les signaux cérébraux captés sont amplifiés et numérisés, pré-traités par un micro-contrôleur puis transmis par radiofréquences. Le tout au sein de l'implant, qui intègre en outre un modèle de téléalimentation via un procédé de récupération inductive, développé lui aussi au CEA Leti, qui permet de ne pas avoir de pile à remplacer – le dispositif fonctionne encore deux ans après son implantation.

L'interprétation, ou décodage, de ces signaux est effectuée sur un ordinateur placé dans le dos de l'exosquelette. A l'oeuvre, de puissants algorithmes, dont le développement a donné lieu à 14 brevets depuis 2008. Ce sont des techniques de machine learning, où les modèles sont créés par apprentissage sur des données, qui permettent d'identifier, au sein de la complexité des signaux cérébraux, les ordres de mouvement émis par le patient.

Huit degrés de liberté décodés grâce au machine learning

« Pour créer les données labellisées nécessaires à l'entraînement du modèle, on demande au patient de "penser" une consigne de mouvement, par exemple "lever le bras gauche". Les signaux cérébraux alors émis sont enregistrés et qualifiés comme correspondant à l'ordre "lever le bras gauche"», résume Guillaume Charvet. De quoi ensuite entraîner le modèle, par un apprentissage dit supervisé sur ces données, à reconnaître dans les divers signaux émis par le patient les consignes de mouvement à donner à l'exosquelette. "On obtient ainsi un modèle de décodage en temps réel et adaptatif capable de contrôler l'exosquelette à partir des électrocorticogrammes captés", poursuit le chercheur.

« On est ainsi capables de décoder huit degrés de liberté, soit trois degrés pour le bras droit, trois degrés pour le bras gauche ainsi que des rotations de poignets par exemple. L’étape suivante sera la préemption pour tenir un objet », se félicite Guillaume Charvet. Car si la marche constituait une étape marquante pour un patient tétraplégique, « le plus gros défi scientifique résidait plutôt dans le décodage des membres supérieurs », confie-t-il.

18,5 millions d’euros d’investissements

Après cette démonstration de force, les chercheurs grenoblois étudient déjà d'autres applications de leur neuroprothèse. « On ne s’interdit pas de proposer cette prothèse pour contrôler d’autres effecteurs pouvant être adaptés aux besoins des patients, comme un fauteuil roulant ou un bras articulé posé dessus », glisse Guillaume Charvet. Comme à son habitude, le CEA Leti pourrait procéder à des transferts de technologie à des start-up et des industriels. Au total, cette technologie aura nécessité près de 18,5 millions d’euros d’investissements (dont 4 millions d’euros pour l’essai clinique de 27 mois).

Côté recherche, de nombreuses perspectives s'ouvrent pour Guillaume Charvet : « L’idée est désormais de mettre cette innovation à disposition des équipes spécialisées en recherche clinique, dans d’autres domaines comme la réhabilitation post-AVC ou le locked-in syndrome ». Wimagine n'a fait que commencer à explorer les possibilités de l'interface cerveau-ordinateur.

Par Marie Lyan, à Grenoble

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