Une technologie unique en son genre aide un homme atteint de SLA à « parler » en temps réel
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Un nouveau système d'interface cerveau-ordinateur permet une conversation plus rapide et plus naturelle
Des chercheurs de l'Université de Californie à Davis ont développé une interface cerveau-ordinateur expérimentale qui promet de restaurer la capacité de tenir des conversations en temps réel chez les personnes qui ont perdu la capacité de parler en raison de troubles neurologiques.
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue scientifique Nature , les chercheurs démontrent comment cette nouvelle technologie peut traduire instantanément l’activité cérébrale en voix lorsqu’une personne essaie de parler, créant ainsi un conduit vocal numérique sans délai détectable.
Une interface cerveau-ordinateur (BCI: Brain Computer Interface) expérimentale permet au participant à l’étude de communiquer via un ordinateur.
Le système a permis au participant à l’étude, atteint de sclérose latérale amyotrophique (SLA) , de « parler » via un ordinateur avec sa famille en temps réel, de changer son intonation et de « chanter » des mélodies simples.
« Traduire l'activité neuronale en texte, comme le faisait auparavant notre interface cerveau-ordinateur vocale, s'apparente à envoyer des SMS. C'est une nette amélioration par rapport aux technologies d'assistance standard, mais cela entraîne toujours des retards de conversation. En comparaison, cette nouvelle synthèse vocale en temps réel s'apparente davantage à un appel vocal », a déclaré Sergey Stavisky , auteur principal de l'article et professeur adjoint au département de chirurgie neurologique de l'UC Davis . Stavisky codirige le laboratoire de neuroprothèses de l'UC Davis .
« Grâce à la synthèse vocale instantanée, les utilisateurs de neuroprothèses pourront participer davantage à une conversation. Par exemple, ils pourront interrompre, et les personnes concernées seront moins susceptibles de les interrompre accidentellement », assure Sergey Stavisky.
Le décodage des signaux cérébraux au cœur des nouvelles technologies
Cet homme participe à l' essai clinique BrainGate2 à l'UC Davis Health. Sa capacité à communiquer par ordinateur est rendue possible grâce à une interface cerveau-ordinateur (ICO) expérimentale. Elle consiste en quatre réseaux de microélectrodes implantés chirurgicalement dans la région du cerveau responsable de la production de la parole.
Ces appareils enregistrent l’activité des neurones du cerveau et l’envoient à des ordinateurs qui interprètent les signaux pour reconstruire la voix.
Maitreyee Wairagkar, premier auteur de la nouvelle étude, est scientifique de projet au laboratoire de neuroprothèses de l'UC Davis.
« Le principal obstacle à la synthèse vocale en temps réel était de ne pas savoir exactement quand et comment la personne souffrant de perte de la parole essayait de parler », a déclaré Maitreyee Wairagkar , auteur principal de l'étude et chercheur au laboratoire de neuroprothèses de l'UC Davis. « Nos algorithmes cartographient l'activité neuronale en fonction des sons attendus à chaque instant. Cela permet de synthétiser les nuances de la parole et de donner au participant le contrôle de la cadence de sa voix BCI. »
La parole instantanée et expressive avec BCI est prometteuse
L'interface cerveau-ordinateur a pu traduire les signaux neuronaux des participants à l'étude en paroles audibles diffusées par un haut-parleur très rapidement – un quarantième de seconde. Ce court délai est similaire à celui qu'une personne ressent lorsqu'elle parle et entend le son de sa propre voix.
La technologie permettait également au participant de prononcer de nouveaux mots (des mots inconnus du système) et de faire des interjections. Il pouvait moduler l'intonation de sa voix artificielle générée pour poser une question ou souligner certains mots d'une phrase.
Le participant a également fait des pas vers la variation de la hauteur tonale en chantant des mélodies simples et courtes.
Sa voix synthétisée par le BCI était souvent intelligible : les auditeurs pouvaient comprendre correctement près de 60 % des mots synthétisés (contre 4 % lorsqu'il n'utilisait pas le BCI).
La parole en temps réel aidée par des algorithmes
Le processus de traduction instantanée de l’activité cérébrale en parole synthétisée est facilité par des algorithmes avancés d’intelligence artificielle.
Les algorithmes du nouveau système ont été entraînés à partir de données recueillies pendant que le participant essayait de prononcer des phrases affichées sur un écran d'ordinateur. Les chercheurs ont ainsi pu comprendre ce qu'il essayait de dire.
Les électrodes ont mesuré les schémas d'activation de centaines de neurones. Les chercheurs ont aligné ces schémas avec les sons vocaux que le participant essayait de produire à ce moment précis. Cela a permis à l'algorithme d'apprendre à reconstruire précisément la voix du participant à partir de ses seuls signaux neuronaux.
Les chercheurs ont recueilli des données pendant que le participant était invité à essayer de prononcer des phrases qui lui étaient montrées sur un écran d’ordinateur.
Un essai clinique offre de l'espoir
« Notre voix fait partie intégrante de notre identité. Perdre la parole est dévastateur pour les personnes atteintes de troubles neurologiques », a déclaré David Brandman , codirecteur du laboratoire de neuroprothèses de l'UC Davis et neurochirurgien ayant réalisé l'implantation du participant.
Les résultats de cette recherche sont porteurs d'espoir pour les personnes qui souhaitent parler mais n'y parviennent pas. Nous avons montré comment un homme paralysé a pu parler avec une version synthétisée de sa voix. Ce type de technologie pourrait révolutionner la vie des personnes paralysées.
David Brandman est professeur adjoint au département de chirurgie neurologique et chercheur principal responsable du site de l' essai clinique BrainGate2 .
Modèle de cerveau humain présentant un réseau de microélectrodes. Ces réseaux sont conçus pour enregistrer l'activité cérébrale.
Limites
Les chercheurs soulignent que, malgré des résultats prometteurs, les neuroprothèses cérébrales-voix n'en sont qu'à leurs débuts. Une limite majeure réside dans le fait que la recherche a été menée auprès d'un seul participant atteint de SLA. Il sera crucial de reproduire ces résultats auprès d'un plus grand nombre de participants, notamment ceux souffrant d'une perte de la parole due à d'autres causes, comme un accident vasculaire cérébral.
L'essai BrainGate2 recrute actuellement des participants. Pour en savoir plus sur l'étude, visitez braingate.org ou contactez braingate@ucdavis.edu .