Notre cerveau veut absolument améliorer ses performances à l’aide d’ordinateurs qui lui seraient reliés. Y implanter des électrodes, le modifier génétiquement seraient sans doute indispensables pour arriver à apprendre plus vite, avoir une meilleure mémoire, et accroître nos possibilités d’action en étroite association avec les objets connectés qui nous entourent. Des laboratoires de recherche travaillent déjà sur ces thèmes. Depuis longtemps déjà on peut implanter des électrodes dans le cerveau pour diminuer les symptômes de la maladie de Parkinson et ceux d’autres affections médicales. Même si une association cerveau-ordinateur comme dans le film ‘Matrix’ n’est sans doute pas pour demain les chercheurs s’activent ! Les nouveaux polymères biocompatibles, notre connaissances de la biologie des cellules du cerveau ouvrent des pistes quant à une plus proche et efficace intégration de notre activité cérébrale avec les tâches accomplies par un ordinateur.

1. Café Sciences
A la conquête du cerveau
avec Laurent Coque
chercheur en neurosciences
Lundi 24 septembre 2018, 19h00-22h00, Breakfast in America 2, 4 rue Malher, 75004 Paris
Tout public !

2. Quel outil technologique permettrait au
cerveau d’interagir plus rapidement avec
un ordinateur ? La société Neuralink
d’Elon Musk nous promet pour dans
quelques mois un procédé qui le
permettra. On pourrait donc augmenter
les capacités fonctionnelles du cerveau en
rapport avec les tâches accomplies par un
ordinateur. Aucun indice ne filtre quant à
la méthode choisie. Mais pour sûr elle
aura une composante biologique !

3. ● “Neuralink is developing ultra high bandwidth brain-machine interfaces to
connect humans and computers.” (https://www.neuralink.com/)
● Buts probables :
○ Pallier à des problèmes neurologiques
○ Améliorer les performances humaines (cognition, comportement,
mouvement ?)
● Méthodes ? : Aucune indication, mais il y a quelques indices

4. Le cerveau en chiffres
● 170 milliards de cellules dont 86 milliards de neurones
● 5000 à 60000 connexions pour chaque neurone
● Signal électrique se propage le long du neurone entre 1m/s et 100m/s
● Fréquence d’émission d’un signal électrique par un neurone cortical : 0,16/sec

5. Unité d’information et neurone
● Déplacement d’un signal électrique d’un neurone à un autre
● Synapse

6. La nature ionique du signal neuronal
Modélisation mathématique du signal neuronal assimilé au fonctionnement d’un
réseau électrique : équation d’Hodgkin-Huxley (1952)
(https://en.wikipedia.org/wiki/Hodgkin%E2%80%93Huxley_model)

7. Microanatomie cérébrale
The Extracellular Space in the CNS Its regulation, volume and
geometry in normal and pathologica neuronal function. Sykova.
The Neuroscientist, 1997
Diffusion in brain extracellular space. Syková E
et al. Physiol Rev. 2008 Oct;88(4):1277-340.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/arti
cles/PMC2785730/

8. Stimoceiver
Le contrôle de comportements et de l’humeur est possible tant chez l’animal
que chez l’être humain depuis les recherches de José Delgado initiées dans
les années 1950.
https://youtu.be/OX9ie0Fc4cE

9. Implants cérébraux
● Parkinson → noyaux sousthalamiques
(Alim-Louis Benabid)
● Dépression → cortex préfrontal (Helen
Mayberg)
● TOC, Tourette, douleur chronique,
épilepsie, mémoire-Alzheimer, céphalées
(algies vasculaires de la face)
● Plaisir/hypomanie → Faisceau Préfrontal
Médial (‘Medial Forebrain Bundle’)

10. Intranet humain - ‘neural dust’
Des implants nerveux peuvent influer sur
le comportement des animaux et des
êtres humains depuis les années 1950.
De nos jours la miniaturisation et la
technologie RFID ouvre une nouvelle
ère pour un être humain ‘optimisé’ :
● Taille de l’ordre du millimètre ou
moins
● Contrôle des implants par
ultrasons

11. Les interfaces cerveau-ordinateur/machine
● Miguel Nicolelis http://www.nicolelislab.net/
● Prothèses : mains, pieds, jambes, peau électronique
→ système nerveux périphérique
● Rétine, tympan
→ système nerveux central
● Brainets

12. L’ensemble neuronal
Détection et analyse du signal issu de l’activité électrique d’un ensemble de
neurones : essentielle pour en extraire une information utilisable pour le
fonctionnement d’une interface cerveau-machine.
→ L’utilisation du signal électrique d’un seul neurone n’est le plus souvent
pas optimale pour le contrôle d’une ICM
(Population coding by cell assemblies--what it really is in the brain. Sakurai Y. Neurosci Res. 1996 Sep;26(1):1-16.)

13. Interface cerveau-machine
Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation. Lebedev M., Nicolelis M., 2017
https://doi.org/10.1152/physrev.00027.2016
Décodeur :
algorithme pour
extraire le signal
spécifique à un
ensemble neuronal
et au comportement
qu’il commande du
signal détecté
résultant de l’activité
de multiple
neuronaux et du bruit
de fond neuronal ne
correspondant pas à
une activité
consciente/voulue.

14. Interface cerveau-machine-cerveau
Interaction d’un élément robotique avec son environnement est source de données
traduites en impulsions électriques servant par exemple à stimuler directement un
zone cérébrale à fonction sensorielle.
Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation, Lebedev M., Nicolelis M., 2017
https://doi.org/10.1152/physrev.00027.2016
‘Brain-machine-brain interface. A: diagram of
experimental setup. Monkey was seated in front of
a computer screen showing an avatar arm an
multiple targets. Motor commands were decoded
from motor cortex activity. Artificial tactile feedback
was produced by intracortical microstimulation
applied to primary somatosensory cortex. B:
cortical location of microelectrode implants. C:
microelectrodes used for microstimulation
(accented in red). D: avatar arm position for a
representative trial. The monkey first placed the
avatar hand over the unrewarded artificial texture
(UAT), then ultimately selected rewarded artificial
texture (RAT). Vertical gray bars correspond to the
periods of microstimulation; insets indicate
stimulation frequency. E: raster display of motor
cortex discharges for the same trial; spikes were
not detected during microstimulation delivery
because of the stimulation-induced artifacts. Only
the periods void of microstimulation were used for
neural decoding. [Adapted from O'Doherty et al.
(598).]’

15. Brainet
● Contrôle coopératif des mouvements d’un bras robotisé
● Transmission d’information dans l’accomplissement d’une tâche
http://www.nicolelislab.net/?p=683

16. Interface cerveau-ordinateur/machine
Potentiels
● Détection d’activité électrique dans le cerveau qui précède un
mouvement d’une demi-seconde (readiness potential,
Bereitschaftspotentials) : “It came as a surprise to the patients that the
projector responded to their will even before they physically initiated the
movement.”
● [Les rats ayant] d’abord appris à obtenir [une récompense alimentaire] en
bougeant leurs pattes, ils arrêtent très vite de les utiliser une fois qu’ils
comprennent qu’ils leur suffit d’invoquer une activité cérébrale précise
pour pouvoir boire.
Limitations et solutions
● Neurochirurgie
● Electrode neurotrophique : limiter les réactions immunitaires liées à
l’introduction d’un corps étranger dans le cerveau (cicatrice/manchon glial)
Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation, Lebedev M., Nicolelis M., 2017
https://doi.org/10.1152/physrev.00027.2016

17. Serre-tête qui fonctionne comme un EEG. On peut apprendre au cerveau à
favoriser une activité cérébrale liée au déclenchement d’une action : allumer la
lumière, jouer un fichier musical dans une pièce, utiliser un jouet.
http://neurowear.com/news/
Applications non médicales

18. De nouvelles méthodes
pour interagir avec le
cerveau

19. Optogénétique
Méthode utilisée par Neuralink ?

20. Graphène
● Bidimensionnel
● Courant électrique
● 1 atome d’épaisseur
● Très biocompatible : ne
provoque de réactions des
cellules gliales suite à son
introduction dans le tissu
nerveux
● Transparent
● Implants cérébraux :
Structure hexagonale du
graphène vue au microscope
électronique à transmission
Electrical Neural Stimulation and Simultaneous in Vivo Monitoring with Transparent Graphene Electrode Arrays Implanted in
GCaMP6f Mice. Park DW et al. ACS Nano. 2018. Jan 23;12(1):148-157.

21. Le graphène est flexible !
Electrodes souples minimisant ou éliminant la réponse des cellules gliales du
cerveau suite à l’introduction d’un corps étranger dans le tissu nerveux :
● Tissus très peu endommagé suite à l’insertion des électrodes
● Meilleur fonctionnement des électrodes
Fluidic Microactuation of Flexible Electrodes for Neural Recording. Vitale F et al. Nano Lett. 2018 Jan 10;18(1):326-335.

22. Ondes acoustiques et développement neuronal
A partir de l’effet piézoélectrique création de trains/motifs d’ondes
acoustiques à emplacement constant qui guident le positionnement et
développement de neurones sur une surface artificielle (Orchestrating cells on a chip:
Employing surface acoustic waves towards the formation of neural networks. Brugger et al. Phys Rev E. 2018 Jul;98(1-
1):012411)
Technical drawing of the SAW (‘Standing Acoustic
Wave’) chip with an aligned microchannel. Neurons after the SSAW (‘Pattern of SAW’)

23. Neuromodulation ultrasonique
● Non invasif : pas besoin de neurochirurgie
● Modulation des courants ioniques des
protéines canaux de la membrane du neurone
● Cavitation : nanobulles influençant la
perméabilité de la membrane du neurone
Mesure des courants
électriques créés par l’activité
de canaux ioniques stimulés
avec de ultrasons
Ultrasonic neuromodulation. Naor Oet al. J Neural Eng. 2016. Jun;13(3):031003.
Ultrasound modulates ion channel currents. Kubanek Jet al. Sci Rep. 2016 Apr 26;6:24170

24. Stentrode
Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity. Oxley TJ et al
Nat Biotechnol. 2016 Mar;34(3):320-7
Intravascular Neural Interface with Nanowire Electrode. Watanabe et al. Electron Commun Jpn. 2009 Jul;92(7):29-37
● Implantation dans des vaisseaux de 1,7mm de diamètre du cerveau
de mouton (1)
● Capillaires sanguins cérébraux : filaments nanoélectroniques de 0,6
microns de diamètre (2)

25. Cybernétique - Norbert Wiener
● Théorie générale des messages
● Etymologie : grec kubernetes, pilote
● Intersection de multiples domaines :
○ Etude du langage
○ Etude des messages : contrôle des
machines et de la société
○ Développement des appareils automatisés
○ Psychologie
○ Neurosciences
○ Réexamen de la méthode scientifique

26. Conquérir le cerveau dans quels buts ?
Dans un futur proche avec les nanotechnologie et la biologie :
● Applications médicales
● Jeux
● Etre humain augmenté
● Pensées actables sans parler ni bouger
Jusqu’où ne pas aller ?
● Pensées actables sans parler ni bouger
● Ordinateur ou tierce personne influençant un autre cerveau connecté
● Utilisation sur les animaux

27. Merci !
Le Café Sciences sur les
réseaux sociaux

28. Annexes

29. La machine à lire dans les pensées ?
Images perçues par l’œil :
● Activité neuronale
● Analyse par Deep Neural
Network
● Reconstruction par ordinateur de
l’image perçue
https://www.biorxiv.org/content/early/2017/12/28/240317 , Deep image reconstruction from human brain activity. Guohua Shen,
Tomoyasu Horikawa, Kei Majima, Yukiyasu Kamitani

30. Stimulation mécanique des neurones
La stimulation mécanique d’un neurone résulte souvent de sa part en une
sécrétion de produits chimiques, par exemple des neuroprotecteurs comme la
molécule d’adénosine
Mechanical stimulation evokes rapid increases in extracellular adenosine concentration in the prefrontal cortex. Ross AEet al. J
Neurochem. 2014 Jul;130(1):50-60. doi: 10.1111/jnc.12711
The Extracellular Space in the CNS Its regulation, volume and
geometry in normal and pathologica neuronal function. Sykova.
The Neuroscientist, 1997
Diffusion in brain extracellular space. Syková E
et al. Physiol Rev. 2008 Oct;88(4):1277-340.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/arti
cles/PMC2785730/

31. Programmes de recherche sur le cerveau
Human Brain Project :
https://www.humanbrainproject.eu/en/
- Europe
BRAINinitiative :
http://www.braininitiative.org/ -
USA
Brain/MINDS
https://brainminds.jp/en/ -
Japon

32. Human Brain
Project
1. Organisation du cerveau de la souris : pour les expériences impossibles avec sur un cerveau humain
2. Organisation du cerveau humain : connexion entre zones cérébrales, fonctions ensemble
3. Cognition et systèmes neuronaux : apprentissage, perception, sommeil, …, conscience
4. Neuroscience théorique : modèles mathématiques du fonctionnement du cerveau
5. Plateforme neuroinformatique : gestion des données et mise à disposition
6. Plateforme de simulation du fonctionnement du cerveau : tests des modèles théoriques et MOOC
7. Plateforme de stockage des données et supercalculateurs : accessibilité et utilisation des données
8. Plateforme médicale : partage de données médicales
9. Ordinateur neuromorphique : architecture basée sur celle du cerveau
10. Neurorobotique : robots fonctionnant à partir de modèles informatiques du cerveau
11. Management : pour s’assurer que tous les projets suivent bien leurs cours
12. Ethique et société : HBP aurait peut-être gagné à mettre ce sous-projet en tête de sa liste ;)

33. Brain/MINDS
● Réseaux neuronaux contrôlant les fonctions cérébrales supérieures du
ouistiti
● Buts :
○ Compréhension du traitement de l’information dans le cerveau
humain
○ Nouvelles thérapies pour les maladies neurologiques humaines
● ‘ExaComputer’ ?: un milliard de milliard d’opérations par seconde

34. Nouvelles neurotechnologies Imagerie cérébrale en temps réel
Information :
enregistrement,
traitement, utilisation,
stockage et récupération
Fonction cérébrale & comportement
sécurité des équipements
médiconeurologiques

35. Defense Advanced
Research Projects
Agency
https://www.darpa.mil/
“La Defense Advanced Research Projects Agency, est une agence du
département de la Défense des États-Unis chargée de la recherche et
développement des nouvelles technologies destinées à un usage militaire.
Jusqu'à aujourd'hui, la DARPA a été à l'origine du développement de nombreuses
technologies qui ont eu des conséquences considérables dans le monde entier
dont les réseaux informatiques et le NLS qui a été à la fois le premier système
hypertexte et un précurseur important des interfaces graphiques devenues
omniprésentes de nos jours.”