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DARPA veut accélérer l’acquisition de compétences au-delà des niveaux normaux

En mars 2016, DARPA annonçait le programme TNT – Targeted Neuroplasticity Training (entraînement ou formation en neuroplasticité ciblée), un projet pour mobiliser le système nerveux périphérique (SNP) du corps pour réaliser quelque chose qui a longtemps été considéré comme le seul domaine du cerveau: faciliter l’apprentissage. Les travaux sur le TNT ont commencé. L’essentiel du programme est d’identifier des méthodes de neurostimulation optimales et sûres pour activer la «plasticité synaptique» – un processus naturel dans le cerveau, essentiel à l’apprentissage, qui implique le renforcement ou l’affaiblissement des jonctions entre deux neurones – puis construire ces méthodes dans des schémas de formation améliorés qui accélèrent l’acquisition de compétences cognitives.

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TNT a été inspiré par des recherches récentes montrant que la stimulation de certains nerfs périphériques peut activer les régions du cerveau impliquées dans l’apprentissage. De tels signaux peuvent potentiellement déclencher une plasticité synaptique en libérant des neurochimiques qui réorganisent les connexions neuronales en réponse à des expériences spécifiques. Les chercheurs de TNT s’efforceront d’identifier les mécanismes physiologiques qui pourraient permettre d’améliorer ce processus naturel grâce à la stimulation électrique des nerfs périphériques, ce qui rend le cerveau plus adapté pendant les points clés du processus d’apprentissage.

« DARPA s’approche de l’étude de la plasticité synaptique à partir d’angles multiples pour déterminer s’il existe des moyens sûrs et responsables d’améliorer l’apprentissage et d’accélérer la formation pour les compétences pertinentes aux missions de sécurité nationale », a déclaré Doug Weber, responsable du programme TNT.

La DARPA finance huit projets dans sept établissements dans un programme de recherche coordonné qui se concentre initialement sur la science fondamentale de la plasticité cérébrale et vise à conclure avec des essais humains sur des volontaires sains. Pour faciliter la transition vers des applications du monde réel, certaines équipes travailleront avec des analystes du renseignement et des spécialistes des langues étrangères pour comprendre comment ils s’exercent actuellement afin que la plate-forme TNT puisse être affinée autour de leurs besoins. Le programme permettra également de comparer l’efficacité de la stimulation invasive (par l’intermédiaire d’un dispositif implanté) contre la stimulation non invasive, d’étudier comment éviter les risques potentiels et les effets secondaires de la stimulation et organiser un atelier sur l’éthique de l’utilisation de la neurostimulation pour améliorer l’apprentissage.

La première moitié du programme TNT se concentre sur le déchiffrage des mécanismes neuronaux sous-jacents à l’influence de la stimulation nerveuse sur la plasticité cérébrale; découvrir des indicateurs physiologiques qui peuvent vérifier lorsque la stimulation fonctionne efficacement; identifier et atténuer tous les effets secondaires potentiels de la stimulation nerveuse. La deuxième moitié du programme se concentrera sur l’utilisation de la technologie dans une variété d’exercices de formation pour mesurer les améliorations du taux et de l’étendue de l’apprentissage.

Les institutions énumérées ci-dessous sont des équipes de premier plan qui explorent les aspects de l’utilisation de la stimulation pour activer la plasticité :

* Une équipe de l’Université de l’État de l’Arizona dirigée par le Dr Stephen Helms Tillery vise la stimulation du nerf trijumeau pour favoriser la plasticité synaptique dans les systèmes sensorimoteurs et visuels du cerveau. Grâce à des partenariats avec le Laboratoire de recherche de l’Armée de l’Air américaine (ARFL), la 711th Human Performance Wing (711 HPW) de l’US Air Force et l’Institut de recherche de l’armée américaine de médecine environnementale (USARIEM), l’équipe évaluera les protocoles de stimulation TNT avec deux groupes de bénévoles : l’étude de l’intelligence, de la surveillance et de la reconnaissance, et un autre pratiquant le tir de précision et de prise de décision.

* Une équipe de l’Université Johns Hopkins dirigée par le Dr Xiaoqin Wang se concentre sur les régions du cerveau impliquées dans la parole et l’ouïe pour comprendre les effets de la plasticité sur l’apprentissage des langues. L’équipe va comparer l’efficacité de la stimulation des nerfs vagaux invasifs et non invasifs (VNS – stimulation neuro-vagale), tester la capacité des volontaires à faire une distinction des phonèmes, apprendre les mots et la grammaire et produire les sons uniques demandés par certaines langues étrangères.

* Dans l’un des deux projets, la DARPA finance à l’Université de Floride, une équipe dirigée par le Dr Kevin Otto qui identifie les voies neuronales par la VNS (stimulation du nerf vague) du cerveau. L’équipe mènera également des études comportementales chez les rongeurs afin de déterminer l’impact de la VNS sur la perception, la fonction exécutive, la prise de décision et la navigation spatiale.

* Dans le deuxième projet de l’Université de Floride, une équipe dirigée par le Dr Karim Oweiss utilisera une approche tout-optique combinant l’imagerie fluorescente et l’optogénétique pour interroger la circulation neuronale qui relie les centres neuromodulateurs dans le cerveau profond aux régions décisionnelles du cortex préfrontal, et optimiser les paramètres de VNS autour de ce circuit pour accélérer l’apprentissage des tâches de distinction auditive par les rongeurs.

* Un projet de l’Université du Maryland mené par le Dr Henk Haarmann étudie l’impact de la VNS sur l’apprentissage des langues étrangères. Son équipe utilisera l’électroencéphalographie (EEG) pour examiner les effets de la VNS sur la fonction neurale lors de la perception de la parole, du vocabulaire et de la formation grammaticale.

* Une équipe de l’Université de Texas à Dallas, dirigée par le Dr Mike Kilgard, identifie les paramètres de stimulation optimale pour maximiser la plasticité et compare les effets de la stimulation invasive contre la non invasive chez les individus atteints d’acouphènes car ils accomplissent des tâches d’apprentissage complexes telles que l’acquisition d’une langue étrangère. L’équipe étudiera également la longévité des effets de stimulation pour déterminer si une formation de suivi est nécessaire pour la rétention à long terme des compétences acquises.

* Une équipe de l’Université du Wisconsin dirigée par le Dr Justin Williams utilise des techniques d’imagerie optique, d’électrophysiologie et de détection neurochimique de pointe chez les modèles animaux pour mesurer l’influence de la stimulation du nerf vagal et trijumeau sur l’activité stimulante des neurones neuromodulateurs dans le cerveau.

* Une équipe de l’Université Wright State dirigée par le Dr Timothy Broderick se concentre sur l’identification des marqueurs épigénétiques de la neuroplastique et des indicateurs de la réponse d’un individu à la VNS. Grâce à un partenariat avec le Laboratoire de recherche de l’Armée de l’Air américaine et la 711th Human Performance Wing de l’US Air Force, l’équipe travaillera également avec les stagiaires volontaires en analyse du renseignement qui étudient la reconnaissance des objets et des menaces pour déterminer l’impact des VNS non invasifs sur cette formation.

DARPA soutiendra un futur projet de science réglementaire au sein de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis, qui a approuvé la VNS pour le traitement de l’épilepsie et de la dépression. Les scientifiques de la FDA, dirigés par le Dr Srikanth Vasudevan, exploreront davantage l’innocuité et l’efficacité de la VNS chez un modèle animal, y compris un examen du rôle du sexe de l’animal sur les effets potentiels de l’utilisation chronique de la stimulation du nerf vague.

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Les projets TNT de la DARPA diffèrent des tentatives antérieures de neuroscience et de neurotechnologie en cherchant à ne pas restaurer la perte de fonction mais à favoriser les capacités chez des individus en bonne santé. À la fin du programme planifié de quatre ans, DARPA vise à démontrer que les méthodes et les technologies TNT peuvent au moins produire une amélioration de 30% du taux d’apprentissage et / ou du rendement des compétences par rapport aux schémas de formation traditionnels, avec des effets secondaires négatifs minimes.

« Le Département de la Défense opère dans un monde complexe et interconnecté dans lequel les compétences humaines telles que la communication et l’analyse sont vitales, et le Département a longtemps poussé les frontières de la formation pour maximiser ces compétences », a déclaré Weber. « L’objectif de DARPA avec le TNT est de renforcer les méthodes de formation existantes les plus efficaces afin que les hommes et les femmes de nos forces armées puissent opérer à leur plein potentiel ».

Reconnaissant que ces nouvelles technologies pour l’apprentissage et la formation pourraient susciter des problèmes sociaux et éthiques, le programme TNT finance l’Arizona State University pour organiser un atelier d’éthique national au cours de la première année du programme. L’atelier engagera des scientifiques, des bioéthiciens, des régulateurs, des spécialistes militaires et d’autres personnes en discussion sur ces questions et produira pour un examen plus large un rapport sur les problèmes éthiques potentiels liés à l’amélioration cognitive pour les combattants.

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Le TNT est un effort de recherche fondamental. Les équipes qui effectuent la recherche sont encouragées à publier leurs résultats dans des revues évaluées par les pairs.

DARPA News

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