Quel potentiel commercial pour les interfaces Cerveaux – Machines ?

AprĂšs le web et les applications, l’homme entre dans une nouvelle Ăšre, celle des objets intelligents. Pourtant, piloter une interface d’un simple geste semble dĂ©jĂ  dĂ©passĂ© : que diriez-vous de la faire par la pensĂ©e ?

Google Glasses, Leap Motion, CamBoard, ou MYO, ces bijoux de technologies font partie intĂ©grante de la nouvelle gĂ©nĂ©ration de terminaux censĂ©s faciliter et «augmenter» notre quotidien. Au-delĂ  de leurs prouesses techniques, ces objets ont un point commun, celui de ne plus nĂ©cessiter le moindre contact tactile entre l’homme et la machine. Ainsi, Leap Motion vous permettra de diriger votre ordinateur d’un mouvement de la main, quand Google Glasses se pilotera du regard. Le terme d’ «Homme Augmenté» prend ici tout son sens et ces avancĂ©es significatives ne peuvent que nous fasciner.

Pourtant, piloter une interface d’un simple geste semble dĂ©jĂ  dĂ©passĂ© : que diriez-vous de la faire par la pensĂ©e ? Je ne parle pas ici de psychokinĂšse ou d’une quelconque facultĂ© mĂ©tapsychique, permettant d’agir directement sur un objet par l’esprit, mais bien d’une technologie nommĂ©e BCI (Brain-Computer Interfaces).

Des pensées à portée de casque

Plus communĂ©ment appelĂ©es «Interfaces Cerveaux / Machines», les BCI intĂ©ressent Ă  la fois le monde mĂ©dical, la recherche, le monde des jeux vidĂ©o et l’armĂ©e. Aujourd’hui, certaines de ces interfaces sont dĂ©jĂ  disponibles pour le grand public. Des sociĂ©tĂ©s de commercialisation existent d’ailleurs et sont d’ores et dĂ©jĂ  rĂ©fĂ©rencĂ©es sur une page WikipĂ©dia consacrĂ©e aux «BCI / IND». 

A l’image de n’importe quel «Smart Device» comme le smartphone ou la tablette numĂ©rique, il est dĂ©sormais possible de tĂ©lĂ©charger des applications pour certaines interfaces BCI, directement sur les sites internet des fabricants (Emotiv ou NeuroSky), ou bien sur d’autres sites web de concepteurs de logiciels compatibles avec ces BCI.

Cependant, la technologie a priori prometteuse des BCI n’est pas encore au rendez-vous. L’EEG*, qui est Ă  la base du fonctionnement des BCI commercialisĂ©es est une technique extrĂȘmement sensible au bruit et il semble que sur un format portatif / ergonomique ou tout simplement confortable, comme celui d’une BCI, le compromis avec l’efficacitĂ© du systĂšme soit difficile Ă  atteindre.

A l’heure actuelle, les BCI commercialisĂ©es utilisent uniquement quelques signaux parmi la multitude que peut gĂ©nĂ©rer notre cerveau. Leur gĂ©omĂ©trie est contrainte par les signaux cĂ©rĂ©braux qu’elles utilisent et les applications sont encore trop Ă©troitement liĂ©es aux BCI elles-mĂȘmes. S’ils souhaitent se dĂ©tacher de toute la partie dĂ©veloppement logiciel, les constructeurs de BCI de demain devront donc se lancer dans une compĂ©tition fĂ©roce pour crĂ©er celles qui seront les plus « multi-compatibles » possibles et qui seront capables de capter une large gamme de signaux permettant de commander un vaste panel d’applications. L’application Ă©tant le moteur des terminaux d’aujourd’hui, on peut donc imaginer sans mal cette (r)Ă©volution au travers des BCI, car celles-ci offrent un potentiel de commandes unique
 

Le souci des BCI (EEG) est qu’elles sont d’une part boudĂ©es par les chercheurs qui attendent des rĂ©sultats plus prĂ©cis ou des rĂ©ponses Ă  des questions qui nĂ©cessitent souvent des appareils plus perfectionnĂ©s et d’autre part frustrantes pour l’utilisateur grand public pour qui elles peuvent encore s’avĂ©rer un peu frustes.

Les projets les plus rĂ©cents d’utilisation de BCI pour des commandes de jeu ou de systĂšmes informatiques se limitent – mĂȘme si les dĂ©monstrations peuvent paraĂźtre convaincantes – Ă  des cas d’utilisation contraints par la technique mĂȘme des EEG : il faut qu’il n’y ait pas ou peu de mouvements musculaires accompagnant l’activitĂ© mentale et les tĂąches doivent ĂȘtre Ă©lĂ©mentaires et limitĂ©es aux classes d’actions les plus reconnaissables.

Heureusement, il existe des domaines de recherche oĂč les BCI se dĂ©veloppent et jouent un rĂŽle important (IHM, Ergonomie, sciences de la communication). Ici, elles permettent d’étudier l’homme de maniĂšre plus Ă©cologique en quittant l’espace de laboratoire.

Enfin, l’autre grand intĂ©rĂȘt des BCI tient dans le bĂ©nĂ©fice qu’elles apportent aux patients handicapĂ©s moteurs. A l’avenir, leurs avantages seront sans doute leurs bienfaits en rĂ©Ă©ducation, leur rapiditĂ©, et bien sĂ»r leur attractivitĂ© en tant que nouveautĂ©. Parmi les inconvĂ©nients nous mentionnerons dĂ©jĂ  le coĂ»t et une certaine rigiditĂ©. Auxquels s’ajoutent des systĂšmes encore trop simples et dont le paramĂ©trage est fastidieux. Enfin et sans vouloir paraĂźtre alarmiste, il faut noter que les effets indĂ©sirables de ces technologies restent Ă  dĂ©couvrir.

La réalité dépasse la Science-Fiction

Avec l’Ă©mergence de casques EEG plus sophistiquĂ©s, les idĂ©es les plus folles pourraient voir le jour. Tout d’abord, nous pourrions prendre conscience d’une ambiance, de l’atmosphĂšre d’un lieu d’états Ă©motionnels chez autrui. Vous croisez quelqu’un dans la rue, vous entrez dans une soirĂ©e et vous ĂȘtes immĂ©diatement informĂ© de l’état Ă©motionnel ou de bien-ĂȘtre des gens autour de vous. Les BCI de chacun vous envoient des signaux que vous pouvez jauger et quantifier. Il en va de mĂȘme lors d’un «speed dating» par exemple.

Dans l’armĂ©e, cela pourrait aussi servir aux entraĂźnements / mise en condition des soldats. Ensuite, nous pourrions amĂ©liorer les jeux vidĂ©o, divertissement le plus populaire au monde. Imaginez votre avatar agissant selon votre Ă©tat mental rĂ©el ! Cela n’est qu’un aperçu du sujet de mon prochain article sur Presse Citron consacrĂ© au potentiel des interfaces Cerveau / Machine dans le domaine du Jeu VidĂ©o.

En bref, il est difficile d’imaginer cela « Ă  terme » Ă©tant donnĂ© les immenses contraintes techniques actuelles. Cependant rien ne nous empĂȘche de rĂȘver et d’espĂ©rer que cela s’opĂšre le plus rapidement possible… ou pas, selon la vision de chacun.

Comprendre le fonctionnement des BCI

Pour parfaire notre connaissance de ces Brain Computer Interfaces, Olivier Dufor et Gilles Coppin de Telecom Bretagne nous expliquent en détail leur mode de fonctionnement :

Comment fonctionnent les BCI (Brain Computer Interfaces) ?

Le fonctionnement des BCI se base sur l’utilisation d’un signal (le plus gĂ©nĂ©ralement électrique) en provenance d’un groupe de neurones situĂ©s dans une ou plusieurs zones du cortex cĂ©rĂ©bral afin de commander une neuroprothĂšse ou un logiciel informatique. *A la maniĂšre d’un Ă©lectroencĂ©phalogramme (EEG) classique l’immense majoritĂ© des BCI sont munies d’électrodes et captent les signaux Ă©lectriques Ă©mis par les neurones du cortex cĂ©rĂ©bral. Ces signaux diffusent dans les diffĂ©rents tissus (mĂ©ninges et liquide cĂ©phalo rachidien, os du crĂąne et peau) avant d’atteindre l’électrode posĂ©e sur le cuir chevelu. C’est un matĂ©riel totalement non invasif et indolore.

Pour faire fonctionner une BCI classique (type EEG), ce n’est pas le choix des signaux qui manque. Le cerveau de maniĂšre gĂ©nĂ©rale et sa surface en particulier (le cortex) sont en activitĂ© constante. A chaque instant,  le nombre de processus rĂ©alisĂ©s en parallĂšles est colossal. DĂšs lors, on peut capter de nombreux signaux Ă©lectriques diffĂ©rents. Le plus gros inconvĂ©nient est que chaque Ă©lectrode capte un signal ou une variation de signal qui correspond non seulement au signal Ă©mis par la rĂ©gion cĂ©rĂ©brale immĂ©diatement sous-jacente Ă  l’électrode mais aussi Ă  l’intĂ©gration de tous les signaux Ă©mis au mĂȘme instant et en tout point du cerveau. MĂȘme si quelques facteurs interviennent pour attĂ©nuer ces autres signaux. La diffusion et l’amplitude de certains signaux cĂ©rĂ©braux mais aussi musculaires et cardiaques  parasitent les signaux recherchĂ©s et ce n’est pas vraiment une bonne nouvelle pour les fabricants de BCI.

L’utilisation des BCI peut ĂȘtre considĂ©rĂ©e selon deux points de vue :

– Un premier point de vue vise Ă  qualifier « l’état » de l’utilisateur porteur d’une BCI (Ă©tat de fatigue, Ă©tat Ă©motionnel, charge cognitive, etc.). Dans ce cas, la BCI se limite Ă  un moyen de mesure. Il peut ĂȘtre alors trĂšs intĂ©ressant de coupler cet appareil Ă  d’autres sources de mesures (mesures physiologiques telles que la conductance Ă©lectrodermale, l’électrocardiogramme, etc
). Dans ce cas, la BCI permet d’adapter – si nĂ©cessaire – le fonctionnement d’un ordinateur, d’un jeu ou d’un logiciel. Le caractĂšre multimodal de la mesure fait d’ailleurs partie de nos recherches au dĂ©partement LUSSI.

– Le second point de vue est celui de la commande, ici, la BCI doit ĂȘtre vu comme une des modalitĂ©s d’analyse de l’état de l’utilisateur afin d’engendrer une commande parmi d’autres (reconnaissance vocale, interaction haptique ou tactile, etc.) qui peuvent s’avĂ©rer plus adĂ©quates ou plus stables en fonction de la situation.

Du point de vue du chercheur en neurosciences, l’important est d’avoir une idĂ©e de ce que reflĂšte l’activitĂ© des neurones d’une zone cĂ©rĂ©brale dĂ©terminĂ©e Ă  un instant donnĂ© avant d’aller y placer un capteur dont le rĂŽle sera de gouverner une prothĂšse ou un logiciel. Les principaux types d’interactions qui ont Ă©tĂ© testĂ©s jusqu’à maintenant impliquent gĂ©nĂ©ralement des commandes d’action par la pensĂ©e ; l’utilisateur doit imaginer ou penser l’action pour activer les zones cĂ©rĂ©brales dont les signaux seront rĂ©cupĂ©rĂ©s par l’interface. Il peut aussi activer des reprĂ©sentations spatiales ou orientĂ©s afin d’induire des commandes du type gauche, droite, haut, bas…

Comment différencier BCI et casques EEG ?

Les casques EEG sont des outils d’imagerie cĂ©rĂ©brale. A ce titre, ce sont des capteurs de signaux cĂ©rĂ©braux qui peuvent servir de BCI. Ils permettent d’enregistrer l’activitĂ© Ă©lectrique du cerveau avec une trĂšs bonne rĂ©solution temporelle de l’ordre de la milliseconde. Une rĂ©solution temporelle qui est donc bien infĂ©rieure au temps qu’il faut pour prendre la dĂ©cision d’appuyer sur un bouton Ă  la suite d’un signal lumineux. DĂšs lors, et malgrĂ© la rĂ©solution spatiale mĂ©diocre de l’EEG, on comprend tout de suite l’intĂ©rĂȘt de cette technique.

MalgrĂ© cela, le casque ou le bonnet EEG ne fait pas tout ! Au dĂ©part, les casques ou bonnets EEG sont de simples outils d’enregistrement. La diffĂ©rence entre BCI et EEG rĂ©side dans l’utilisation qui en est faite.

Les chercheurs et les mĂ©decins rĂ©cupĂšrent les signaux EEG qui sont alors transfĂ©rĂ©s sur un ordinateur et analysĂ©s afin de rĂ©pondre Ă  des hypothĂšses de recherches ou rĂ©soudre des problĂšmes cliniques. Etant donnĂ© la complexitĂ© des calculs et le temps qu’il faut pour effectuer certaines analyses statistiques, ces logiciels sont, la plupart du temps, utilisĂ©s en diffĂ©rĂ© par rapport au temps de l’enregistrement. Pour une BCI, cela n’est pas possible, le calcul doit ĂȘtre rapide et online.

Un autre souci des signaux biologiques est leur variabilitĂ©. Celle-ci est Ă  la fois intra –individuelle (le mĂȘme individu Ă  deux instants donnĂ©s) et inter-individuelle (entre deux individus.

Afin de pouvoir gĂ©nĂ©raliser leurs hypothĂšses, les chercheurs incluent classiquement dans leurs Ă©tudes un Ă©chantillon de participants reprĂ©sentatif de la population gĂ©nĂ©rale. On pourrait toujours tenter de faire usage d’une norme pour tel ou tel signal mais gĂ©nĂ©ralement une BCI doit avant tout ĂȘtre calibrĂ©e sur les signaux qui sont ceux de celui qui en est le porteur. C’est donc surtout l’usage qu’on veut faire du casque d’EEG qui le transforme en BCI. 

En rĂ©sumĂ©, pour les BCI, le signal doit rapidement induire une commande ou enregistrer un Ă©tat. C’est un signal unique, propre Ă  l’individu qui porte l’interface mais qui doit aussi pouvoir ĂȘtre retrouvĂ© chez n’importe quel autre utilisateur pour que l’interface soit commercialisable. En pratique, il n’est donc pas possible de soumettre le signal Ă  des analyses compliquĂ©es Ă  chaque fois qu’il apparaĂźt. Il faut un signal qui soit mesurable chez tout le monde et qui soit suffisamment robuste au travers des rĂ©pĂ©titions. La personne qui s’apprĂȘte Ă  utiliser l’interface BCI ne peut pas reproduire seule ce que les chercheurs ont rĂ©ussi Ă  conclure Ă  partir de l’observation de plusieurs centaines d’individus ; eux-mĂȘmes soumis Ă  des dizaines de stimulations diffĂ©rentes. La phase de calibration de l’appareil doit s’appuyer sur des signaux qui sont connus et suffisamment bien dĂ©crits par les chercheurs.

Pour autant, et afin de prendre en compte les fortes variabilitĂ©s intra ou inter-individuelles, on peut envisager une calibration ou un apprentissage permettant d’adapter la dĂ©tection et l’interprĂ©tation des signaux par rapport Ă  un Ă©tat de rĂ©fĂ©rence produit par l’individu lui mĂȘme (approche diffĂ©rentielle). 

Les signaux utilisĂ©s dans les BCI sont des signaux largement documentĂ©s dans le domaine des neurosciences. ParamĂ©trer une BCI, c’est un peu lui dire : « voilĂ  Ă  quoi ressemble le signal que tu t’attendais Ă  observer chez moi, non loin de cette Ă©lectrode ». Si, en amont, l’existence du signal fait dĂ©bat dans la littĂ©rature scientifique, il serait hasardeux de s’en servir via une BCI.

Notre sentiment de chercheurs vis-Ă -vis des BCI est que la dĂ©couverte de signaux cĂ©rĂ©braux reproductibles chez plusieurs individus prĂ©cĂšde de trop celle de l’attribution de leur rĂŽle fonctionnel.

Aujourd’hui, de nombreux signaux sont connus (les rythmes cĂ©rĂ©braux pour ne citer qu’eux) sans pour autant qu’on sache bien ce qu’ils reflĂštent sur le plan fonctionnel (mĂȘme si quelques hypothĂšses ont pu ĂȘtre Ă©mises). Le lien entre la cartographie des signaux et la cartographie fonctionnelle est loin d’ĂȘtre Ă©tabli.

Aujourd’hui, nous ne connaissons pas les effets d’une mise en jeu intensive de ces signaux dans le but de faire fonctionner une BCI et il serait prudent de tester ces effets avant de vouloir distribuer cette BCI au grand public. En attendant, le principe de prĂ©caution pourrait s’appliquer. De plus, c’est un dĂ©bat d’éthique qui ne doit pas seulement avoir lieu au sein des Ă©quipes qui crĂ©ent ces interfaces.

Mes remerciements Ă  Olivier Dufor et Gilles Coppin de Telecom Bretagne, qui m’ont permis de comprendre le fonctionnement de ces interfaces entre le cerveau et la machine et de dĂ©finir leur capacitĂ© Ă  rĂ©inventer nos usages.

Olivier Dufor : Post-doctorant et IngĂ©nieur de recherche au dĂ©partement Electronique de TĂ©lĂ©com-Bretagne. Il est docteur en neuropsychologie. Son travail consiste Ă  faire le lien entre le comportement humain et les diffĂ©rentes mesures issues du fonctionnement cĂ©rĂ©bral normal ou altĂ©rĂ© chez des patients atteints de pathologies cĂ©rĂ©brales. Ses intĂ©rĂȘts de recherches sont essentiellement en rapport avec le langage. 

Gilles Coppin : Professeur Ă  Telecom Bretagne au dĂ©partement LUSSI (Logiques des Usages, Sciences Sociales et sciences de l’Information). Responsable du groupe CID (Connaissance, Information, DĂ©cision) de l’UMR 6285 Lab-STICC. Ses principaux thĂšmes d’intĂ©rĂȘt portent sur la coopĂ©ration homme-machine, l’aide Ă  la dĂ©cision et la modĂ©lisation mathĂ©matique de comportements. Gilles Coppin est actuellement impliquĂ©s dans de nombreux projets relatifs Ă  la mesure et l’utilisation d’états Ă©motionnels et de stress pour la mise au point d’interactions homme-machine.

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Invité
Valentin
9 avril 2013 10:29

Un bon article trÚs intéressant :)
Merci

Invité
9 avril 2013 12:43

Effectivement c’est un bon article bien fait, bien exprimĂ©. L’essentiel dans toute dĂ©couverte qu’est-ce que ça peut apporter Ă  nous autres humains comme bienfait, oĂč il ne s’agit pas de quel potentiel commercial.
Moralisé les temps modernes est une option crucial à prendre en considération.

Invité
10 avril 2013 11:00

La science fascine et fait peur Ă  la fois. Votre article donne envie d’en savoir plus et Ă  la fois la crainte est toujours lĂ , celle de plonger dans un monde dĂ©shumanisĂ©, et toujours cette question  » Ă  qui vont profiter de telles recherches ? »

Invité
10 avril 2013 14:14

yeah yeah yeah j’aime l’idĂ©e de ces interfaces Hommes-machines.
Sinon, un livre intéressant pour comprendre les concepts de reseaux : Networks for the brain de Sporns.

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