Marcher par la pensée!

Selon Bilal Alchalabi, on sait mieux aujourd’hui décoder l’activité neuronale et la traduire en signaux de commande.

Selon Bilal Alchalabi, on sait mieux aujourd’hui décoder l’activité neuronale et la traduire en signaux de commande.

En 5 secondes

Une étude a pour objectif de faire marcher un avatar dans un environnement virtuel par la pensée.

Une femme atteinte du syndrome d’enfermement (elle est entièrement paralysée mais consciente) a réussi en 2012 à diriger un bras articulé… par la pensée. En se concentrant sur un mouvement comme si elle bougeait son propre membre, elle s’est saisie d’une bouteille sur une table, l’a guidée vers sa bouche et en a aspiré le contenu avec une paille.

«Commander un robot par la seule force de la pensée est désormais possible par l’entremise d’électrodes posées à la surface du cortex moteur, où les impulsions électriques du mouvement sont émises. Les signaux sont ensuite interprétés par un ordinateur dont l’algorithme convertit les données en manœuvres», explique Bilal Alchalabi, étudiant au doctorat à l’Université de Montréal.

Mais si l’on sait déjà contrôler la mobilité de la main, la maîtrise de la marche manque toujours. Or, une telle percée pourrait aider les 50 000 Canadiens qui subissent chaque année un accident vasculaire cérébral (AVC) et chez qui la vitesse de marche, la symétrie des pas et la gestion de l’équilibre se trouvent sérieusement compromises. «L’asymétrie posturale, fréquente après un AVC, est un facteur de risque de chute connu, dit Bilal Alchalabi. Ces personnes se trouvent limitées dans des tâches aussi simples que traverser la rue. Si l’on parvenait à entraîner leur cerveau à réduire l’asymétrie de leur marche, on pourrait rendre leur équilibre moins précaire.»

C’est justement avec cet objectif en tête que le jeune chercheur travaille, dans son projet doctoral, sur un procédé visant à favoriser la réadaptation des patients ayant eu un AVC. Sous la codirection des professeurs Jocelyn Faubert et David Labbé, respectivement directeur du Laboratoire de psychophysique et de perception visuelle de l’École d’optométrie de l’Université de Montréal et chercheur en génie biomédical au Centre de recherche du CHUM, Bilal Alchalabi vient d’entamer une étude sur un système qui permet de naviguer dans la réalité virtuelle par la pensée. L’idée : utiliser les signaux récupérés à la surface du crâne des patients non pas pour commander un robot, mais pour envoyer des stimulus électriques à leurs muscles de manière à provoquer leur contraction et à faire marcher un avatar dans un environnement virtuel.

Ici, l’interface cerveau-ordinateur décode les signaux électriques du cerveau et les transforme en commande pour faire fonctionner un logiciel. L’exécution répétée des mouvements imaginaires des jambes augmentera-t-elle l’équilibre et la vitesse de déplacement des personnes qui ont fait un AVC? C’est ce que permettra de découvrir sa recherche.

Comment faire marcher l’avatar?

Les électrodes captent les variations du potentiel électrique qui traverse les neurones de la zone ciblée au moment où le geste est commandé par le participant. Il s’agit dans ce cas d’exploiter l’activité électrique du cerveau grâce à laquelle les neurones communiquent. Cette activité est due à la présence d’éléments chimiques électriquement chargés de part et d’autre de la membrane du neurone qui engendre une différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur du neurone au repos. Quand elle est stimulée (par le contact avec un autre neurone par exemple), cette membrane s’ouvre au passage de certains éléments chimiques et sa polarité change pendant quelques millisecondes. Ce sont ces changements de polarité momentanés qui constituent les impulsions électriques à la base du dialogue entre les neurones.

À partir de là, il suffit que le sujet comprenne quels mouvements il doit imaginer, quel niveau de concentration il doit atteindre pour que les signaux reçus par l’ordinateur soient clairement reconnaissables. Des signaux que le logiciel d’analyse des impulsions électriques neuronales peut alors traduire en mouvements chez l’avatar. «L’utilisation d’un personnage virtuel permet au sujet d’obtenir une rétroaction. Ce dernier peut ainsi améliorer la précision de son geste moteur, souligne le professeur Faubert. Le phénomène, qui renvoie aux neurones miroirs, a été démontré scientifiquement. L’activité du système neuronal est sensiblement la même que l’action soit effectuée ou vue.»

Dialogue avec des électrodes

En partant du principe que le cerveau est pourvu d’une grande plasticité, Bilal Alchalabi se dit très confiant que le logiciel pourra traduire le geste pensé par le cerveau et commander la marche du personnage virtuel. Dans ses travaux de maîtrise, l’ingénieur biomédical est parvenu à contrôler un déplacement de type marche avant et marche arrière en utilisant différentes méthodes.

Une dizaine de personnes ont été recrutées pour cette recherche, menée dans une voûte d’immersion en trois dimensions au Laboratoire de psychophysique et de perception visuelle. Trois électrodes, connectées à un ordinateur, avaient été posées sur la tête des participants, vis-à-vis de leur cortex moteur. L’expérience était divisée en deux séances d’une cinquantaine de minutes chacune. Chaque séance comprenait 320 essais. «On a demandé aux sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite à l’écran», indique Bilal Alchalabi. Il n’a fallu que 96 minutes d’entraînement aux sujets pour réussir à maîtriser leur état mental de manière à produire des signaux distincts et suffisamment clairs pour faire avancer ou reculer l’avatar. Selon les méthodes utilisées, la précision du mouvement variait de 76 à 80 %.

«On est encore loin du jour où la science permettra aux gens paralysés de se déplacer seuls, tempère le chercheur. Mais le potentiel de l’interface personne-machine est immense.»

Un chercheur venu de Syrie

Né en Syrie, Bilal Alchalabi a vécu en France de deux ans à huit ans alors que ses parents terminaient leur formation médicale à Nancy. Il y a appris le français. De retour en Syrie, son père et sa mère se sont assurés qu’il conserve ses acquis linguistiques en lui faisant écouter TV5!

Après des études de génie biomédical à Damas, le jeune homme décide de venir en 2010 faire une maîtrise à l’Université de Montréal. L’établissement universitaire lui avait été recommandé par des collègues de l’association syrienne d’astronomie, dont il est membre. «J’ai fait quelques recherches pour cibler des professeurs dont les champs d’intérêt correspondaient aux miens. Le premier qui a répondu à ma demande, c’est Jocelyn Faubert. Je n’ai jamais regretté ma décision», raconte le chercheur âgé de 30 ans.

Au fil des différents projets auxquels il avait pris part en Syrie, son sujet d’étude s’était imposé de lui-même. «J’ai toujours été fasciné par les pouvoirs du cerveau, déclare-t-il. C’est le monde de la magie!»

Son fils, Aboudi, est né en 2012 dans un pays déchiré par une guerre civile qui a fait 250 000 morts en quatre ans, dont 12 000 enfants. Bilal Alchalabi ne pouvait aller rejoindre sa famille. Résilient, il communiquait avec ses parents, sa femme, ses frères et sa sœur par Skype. Mais parfois la communication était coupée par les bombardements. «J’ai été quatre mois sans pouvoir prendre mon fils dans mes bras, dit-il. Ç’a été la période la plus difficile de ma vie. Je ne pouvais pas voir ma famille et mon pays se faisait détruire.»

Aujourd’hui, sa femme, qui est à moitié belge, et son petit garçon vivent avec lui à Montréal. «J’ai espoir qu’un jour nous pourrons retourner en Syrie, mais d’ici là notre vie est au Québec.»

Bilal Alchalabi

Crédit : Amélie Philibert