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Revue n° 3
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Du côté des labos

Les mouvements d'un robot commandés par le cerveau d'un singe

Par christophe Jacquemin - 20/12/2000
   

Des travaux menés par une équipe de chercheurs de la Duke University (Caroline du Nord) montrent que l'analyse des signaux électriques du cerveau d'un singe, enregistrés lors d'une action spécifique comme celle d'attraper un objet, permet de faire reproduire ce même mouvement par un robot.
Ces résultats, publiés récemment dans la revue Nature, ouvrent de nouvelles perspectives aux personnes amputées ou souffrant de paralysie. Les recherches pourraient en effet, à terme, conduire à la mise au point de prothèses contrôlées par la pensée.


L'équipe de Johan Wessberg et de Miguel Nicolelis de la Duke University aux Etats-Unis vient de mettre au point un système informatique permettant de coupler l'activé cérébrale du singe à celle d'un robot, y compris à distance. Ces résultats, parus récemment dans la revue Nature (voir références en fin de texte), décrivent une expérience dans laquelle les chercheurs ont étudié les signaux cérébraux émis par deux petits singes d'Amazonie (Aotus trivirgatus) lors d'actions déterminées faisant intervenir le mouvement de leurs bras. L'étude a respectivement duré pendant un an pour l'un, et deux ans pour l'autre, portant d'abord sur des mouvements à une dimension, puis à trois dimensions (les singes ayant été dressés pour effectuer les gestes d'une manière précise).
Une série de microélectrodes a été placée dans cinq zones du cortex cérébral de l'un des singes (et de deux pour l'autre), régions du cerveau connues pour contrôler les mouvements des membres supérieurs.
Les données transférées sur ordinateur ont pu être analysées et corrélées -via modèles mathématiques et réseaux neuronaux artificiels - avec le type de gestes effectués par les singes, menant à un programme de prédiction fiable du mouvement à partir de l'analyse des signaux enregistrés. Dès lors, à partir de l'enregistrement de l'activité cérébrale, le système peut identifier en temps réel le geste qui va en découler.
C'est ainsi que ces signaux ont été utilisés pour faire reproduire avec succès, en simultané, le geste par un robot. L'expérience a également fonctionné à distance, via transmission par Internet des données vers un autre bras mécanique situé à quelque 1000 km de là, dans un laboratoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Ce résultat est d'importance car il représente une avancée significative dans le développement des interfaces homme-machine.
En effet, un tel dispositif de micro-éléctrodes couplées à un circuit intégré (assurant un enregistrement en temps réel et une analyse mathématique) pourrait un jour former la base d'une interface cerveau-machine. A terme, cette technique permettrait de créer des prothèses obéissant aux ordres du cerveau chez des personnes amputées ou souffrant de paralysie.

Dispositif expérimental ©http://www.nature.com
© Nature : http://www.nature.com
En a, diagramme schématique du dispositif expérimental.
Les données recueillies émanant de l'activité corticale des singes ont permis d'alimenter deux modèles (l'un basé sur des algorithme linéaires, l'autre, dit "ANN" utilisant les réseaux neuronaux), menant à terme à une prédiction fiable en temps réel du mouvement effectué, simplement à partir de l'enregistrement de cette activité corticale.  Le mouvement peut être reproduit par un robot, soit en local, soit à distance via l'envoi des données par internet.
en b et c : enregistrements simultanés de l'activité neuronale dans cinq régions corticales pour l'un des singe (b) et dans deux régions pour l'autre singe (c) lors de l'exécution d'un mouvement à une dimension. PP; M1; PMd; iM1/PMd, représentent différentes régions du cortex.

© Nature : http://www.nature.com
Prédiction en temps réel de mouvements 3D de la main
en a et b : trajectoire 3D de la main du singe 1 (a) et 2 (b) durant des sessions expérimentales
en c : diagramme shématique des 4 locations possibles de nourriture,
en d et e : mouvement 3D de la main (en noir : observé, en rouge:prédit en temps réel) pour le singe 1(d) et 2(e).
en f et g : variation du coefficient de corrélation pour les trois dimensions de l'espace (x en noir, y en bleu, x en rouge)
du mouvement en 3D de la main, à partir du modèle linéraire.


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 Source : Nature du 16 novembre 2000, volume 408, pages 361 à 365 :
"Real-time prediction of hand trajectory by ensembles of cortical neurons in primates", par Johan Wessberg, Christopher R. Stambaugh, Jerald D. Kralic, Pamela D. Beck, Mark Laubach, John K Chapin, Jung Kim, S. Jammes Biggs, Mandayam A. Srinivasan et Miguel A. L. Nicolelis.
NB : Les résumés succincts en anglais (voire quelquefois les articles complets) parus sur le site web de Nature peuvent être obtenus, après inscription gratuite,  à l'adresse:
(attention, pour que l'inscription aboutisse, il faut absolument cocher dans une des cases à la rubrique State/Region:* du questionnaire, même si ce n'est pas adapté à votre pays).

Contacts :
Johan Wessberg - wessberg@neuro.duke.edu
Miguel Nicolelis - nicoleli@neuro.duke.edu

20 décembre 2000


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