Les interfaces cerveau-ordinateur peuvent rendre aux personnes paralysées une partie de leurs capacités motrices en contrôlant des exosquelettes. Cependant, il n'est pas encore possible de lire des signaux de commande plus complexes à la surface de la tête, car les capteurs traditionnels ne sont pas assez sensibles pour cela. Ce défi a été relevé par une association de Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Université de Stuttgart et des partenaires industriels : Dans le cadre du projet phare "NeuroQ" récemment lancé par le BMBF, les partenaires du projet développent des capteurs quantiques à base de diamant hautement sensibles qui devraient permettre aux paralysés de contrôler plus précisément les exosquelettes neuraux.
Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) représentent un grand espoir pour les personnes qui ne peuvent pas bouger leurs mains ou leurs jambes en raison d'une lésion de la moelle épinière, d'un accident vasculaire cérébral ou d'une autre maladie : Ces interfaces cerveau-ordinateur permettent de contrôler un appareil uniquement grâce à l'activité cérébrale - par exemple, un exosquelette peut être contrôlé uniquement par l'idée d'un mouvement. Les BCI offrent ainsi aux personnes paralysées la possibilité de retrouver le contrôle d'une partie de leurs mouvements.
Un patient teste une interface cerveau-ordinateur développée par la Charité pour contrôler une main exosquelette.
Les BCI, qui mesurent l'activité cérébrale à partir de la surface de la tête, ont l'avantage d'éviter aux patients une intervention chirurgicale lourde et risquée au niveau du cerveau. "Nous avons déjà développé un système BCI non invasif qui permet aux personnes atteintes de paraplégie élevée de saisir des objets de la vie quotidienne en modifiant volontairement leurs ondes cérébrales", rapporte le professeur Surjo R. Soekadar, professeur Einstein de neurotechnologie clinique à la Charité, avant d'ajouter : "Cependant, malgré des progrès considérables, il n'a pas encore été possible de contrôler des mouvements complexes de la main avec un tel système non invasif". Ainsi, s'il est possible de détecter l'intention du mouvement, il n'est pas possible de savoir exactement quel mouvement doit être effectué. Pour y parvenir, il faudrait augmenter considérablement la sensibilité des capteurs.
Des capteurs quantiques mesurent les ondes cérébrales
Neuf partenaires se sont attelés à cette tâche et ont lancé le projet "Magnétomètres à seuil laser pour les interfaces de communication neuronales", en abrégé "NeuroQ". Dans le cadre de ce projet financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF), les partenaires du projet développent des capteurs quantiques si sensibles qu'ils peuvent mesurer les plus petits champs magnétiques générés par les ondes cérébrales. Ces magnétomètres quantiques seront intégrés dans un système BCI et permettront ainsi aux paralysés de contrôler un exosquelette manuel de manière beaucoup plus précise que ce n'est le cas actuellement.
Les champs magnétiques fournissent des signaux plus clairs
Dans le cas des BCI non invasifs, la mesure de l'activité neuronale s'effectue jusqu'à présent principalement par le biais de champs électriques. Or, la mesure des champs magnétiques présente des avantages considérables : "Les champs magnétiques traversent la peau et le crâne sans distorsion et fournissent ainsi des signaux beaucoup plus clairs que les champs électriques, car ceux-ci sont fortement atténués lors de leur trajet de la source au capteur. Ainsi, la magnétoencéphalographie (MEG) présente des avantages significatifs par rapport à l'électroencéphalographie (EEG), mais elle n'est que rarement utilisée en raison d'obstacles techniques", explique le Dr Jan Jeske, chef de projet de "NeuroQ" et chercheur au Fraunhofer IAF.
Les obstacles techniques des MEG sont liés aux technologies de détection utilisées : les capteurs SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) sont très précis, mais nécessitent un refroidissement cryogénique, ce qui rend leur utilisation extrêmement coûteuse et compliquée. Les magnétomètres à pompage optique (OPM), basés sur des cellules à vapeur, dépassent même la sensibilité des SQUID, mais ne fonctionnent que dans le champ zéro absolu - ce qui signifie que pour les faire fonctionner, tout champ magnétique de fond (y compris le champ magnétique terrestre) doit être complètement blindé, ce qui implique également un énorme travail de construction.
"Jusqu'à présent, aucun magnétomètre n'a été réalisé qui, dans des conditions ambiantes - c'est-à-dire dans des environnements non blindés -, atteigne une sensibilité qui convienne à la détection des champs neuromagnétiques. Le projet de 'NeuroQ' dépasse considérablement l'état de l'art", résume le professeur Jörg Wrachtrup, directeur du 3e Institut de physique de l'université de Stuttgart.
Un capteur à base de diamant permet une utilisation dans l'environnement quotidien
La particularité des magnétomètres quantiques qui seront développés dans le cadre du projet "NeuroQ" réside dans leur matériau de base : ils sont basés sur des centres NV (nitrogen-vacancy center) dans le diamant, ce qui leur confère des propriétés uniques : Les magnétomètres quantiques en diamant sont les seuls magnétomètres très sensibles qui fonctionnent à température ambiante ou corporelle. Ils mesurent également en présence d'un champ magnétique de fond et peuvent déterminer la direction exacte d'un champ magnétique (c'est-à-dire les trois composantes du vecteur). De plus, ils sont biocompatibles et peuvent être placés près de la source, ce qui permet d'obtenir des signaux plus puissants.
Tout cela fait que les magnétomètres quantiques à diamant pourraient à terme être utilisés dans les cliniques, les cabinets médicaux, un environnement de rééducation, mais aussi à la maison et dans la vie quotidienne, afin d'améliorer considérablement la qualité de vie des personnes paralysées et de contribuer de manière importante à leur inclusion dans la société.
Projet collaboratif multidisciplinaire
Étant donné que les magnétomètres à diamant développés jusqu'à présent n'atteignent pas encore la sensibilité requise, le projet "NeuroQ" vise tout d'abord à réaliser de nouveaux magnétomètres quantiques hautement sensibles sur la base d'un nouveau type de laser à diamant NV. Le système de mesure sera ensuite développé avec l'interface de communication nécessaire à un système BCI et utilisé pour la démonstration, l'évaluation et le développement dans un environnement clinique à la Charité à Berlin. Les start-ups et les petites et moyennes entreprises (PME) participantes apportent une contribution considérable non seulement au développement, mais aussi à l'exploitation ultérieure de la technologie, favorisant ainsi le transfert des résultats vers des produits et des applications commercialisables.
Le BMBF finance ce projet collaboratif de cinq ans dans le cadre de la mesure "Projets phares de métrologie quantique pour relever le défi sociétal" avec un total de près de 9 millions d'euros.
Aperçu des partenaires du projet :
- Institut Fraunhofer de physique appliquée aux solides IAF
- Twenty-One Semiconductors
- Université de Stuttgart, 3ème Institut de Physique
- Sacher Lasertechnik GmbH
- Advanced Quantum GmbH
- W+R Schirmungstechnik GmbH
- Charité - Médecine universitaire de Berlin
- neuroConn GmbH
- NIRx Medizintechnik GmbH
Source : Fraunhofer IAF
Contact professionnel :
Jörg Wrachtrup, Université de Stuttgart, 3e Institut de physique, tél. +49 711 685 65278, E-mail
Source : Des capteurs en diamant pour un contrôle plus précis des exosquelettes neuraux | News | 24.01.2023 | Université de Stuttgart (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)
