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.

L’Homme augmenté, réflexions sociologiques pour le militaire
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Étude prospective à l’horizon 2030 : impacts des transformations et ruptures technologiques sur notre environnement stratégique et de sécurité.

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

Des hologrammes pourraient aider les soldats à voir derrière les murs

Une équipe d’ingénieurs du SMU a mené des recherches financées par DARPA en imagerie holographique 3D pour la détection “d’objets cachés”.

DARPA cherche une technologie afin de permettre aux soldats de « voir » dans les coins, derrière les murs.

Les chercheurs de Lyle School of Engineering – SMU dirigent une équipe multi-universitaire financée par la DARPA pour construire un cadre théorique pour la création d’une image générée par ordinateur d’un objet caché de la vue, dans un coin ou derrière un mur.

Le noyau de la proposition est de développer un algorithme informatique pour déchiffrer la lumière rebondissant sur des surfaces irrégulières pour créer une image holographique d’objets cachés.

« Cela nous permettra de construire une représentation 3D – un hologramme – de quelque chose qui est hors de vue, » a déclaré Marc Christensen, doyen de la B. de Bobby Lyle School of Engineering à SMU et chercheur principal du projet.

« Vos yeux ne peuvent pas faire ça, » dit Christensen. « Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas faire cela. »

La récompense de DARPA est un projet sur quatre ans avec un financement total anticipé de $4,87 millions. SMU Lyle a reçu $ 2,2 millions pour les deux premières années pour le projet “REVEAL” (Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields  – Amélioration Révolutionnaire de la Visibilité en Exploitant la Lumière des champs Actifs), avec l’attente d’un autre financement pour la phase II de $ 2,67 millions a attribué d’ici 2018. SMU est l’Université de chef de file pour cette recherche et travaille en collaboration avec les ingénieurs des universités de Rice, Northwestern et Harvard.

Les co-chercheurs de l’équipe SMU sont Duncan MacFarlane, Bobby B. Lyle Centennial Chair in Engineering Entrepreneurship et professeur de génie électrique ; et Prasanna Rangarajan, un professeur adjoint de recherche qui dirige l’école Lyle Photonics Architecture Lab.

La mission de la DARPA, qui remonte à la réaction contre le lancement de Spoutnik de l’Union soviétique en 1957, est de faire des investissements clef dans les technologies innovantes pour la sécurité nationale.

Dans la recherche de propositions pour son programme «REVEAL», les responsables DARPA ont noté que les systèmes d’imagerie optiques conventionnels se limitent aujourd’hui en grande partie à la mesure de l’intensité de la lumière, offrant des rendus bidimensionnels de scènes en trois dimensions et en ignorant des quantités importantes d’informations supplémentaires qui peuvent être transportées par la lumière capturée. Christensen du SMU, un expert en photonique, explique le défi comme ceci :

« La lumière rebondit sur la surface lisse d’un miroir sous le même angle, au cours de laquelle elle frappe le miroir, qui est ce qui permet à l’œil humain de « voir » une image reconnaissable de l’événement – une réflexion, » dit Christensen. “Mais la lumière qui rebondit sur une surface irrégulière d’un mur ou une autre surface non réfléchissante est éparse, aucun œil humain ne peut imaginer quoi que ce soit d’intelligible.

« Donc la question est de savoir si un ordinateur peut manipuler et traiter la lumière se reflétant sur un mur – déchiffrer pour former une image reconnaissable – comme la lumière se reflétant sur un miroir, » a expliqué Christensen. « Un ordinateur peut-il interpréter la lumière rebondissant d’une façon que nos yeux ne peuvent pas ? »

Dans un effort pour résoudre le problème, l’effort de recherche proposé s’étendra aux modèles de transport légers actuellement employés dans l’infographie et les communautés de vision basées sur la propagation de rayonnement pour accueillir simultanément la vitesse de la lumière finie et la nature ondulatoire de la lumière. Par exemple, la lumière se déplace à des vitesses différentes dans les différents milieux (air, eau, verre, etc.) et des ondes lumineuses dans l’éparpillement du spectre visible à des taux différents selon la couleur.

L’objectif du programme de la DARPA est de développer une science fondamentale pour l’imagerie indirecte dans des environnements de diffusion. Cela conduira à des systèmes qui peuvent « voir » dans les coins et derrière toute obstruction (des obstacles) à des distances allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres.

Les gens ont utilisé des systèmes d’imagerie pour acquérir des connaissances des objets éloignés ou microscopiques pendant des siècles, fait remarquer Christensen. Mais la dernière décennie a été témoin d’un certain nombre de progrès qui préparent les ingénieurs à la révolution que DARPA recherche.

« Par exemple, la vitesse et la sophistication du traitement des signaux (le processus de conversion des transmissions analogiques en signaux numériques) a atteint le point où nous pouvons accomplir des tâches informatiques vraiment intensives sur des appareils portables », a déclaré Christensen. « Cela signifie que quelles que soient les solutions que nous concevons, elles doivent être facilement transportables sur le champ de bataille. »

Le projet dirigé par SMU DARPA travaille sous le sigle OMNISCIENT – “Obtaining Multipath & Non-line-of-sight Information by Sensing Coherence & Intensity with Emerging Novel Techniques.” – « Obtenant l’Information par trajets Multiples et sans visibilité directe en Sentant la Cohérence et l’Intensité avec l’Émergence des Nouvelles Techniques. »

Southern Methodist University SMU Research, DailyMail

Stimuler la plasticité synaptique pour accélérer l’apprentissage

DARPA

Un nouveau programme DARPA explorera l’utilisation de la stimulation nerveuse périphérique pour améliorer les processus d’apprentissage dans le cerveau.

Le réseau de ramifications du corps des nerfs périphériques relie les neurones dans le cerveau et la moelle épinière pour les organes, la peau et les muscles, la régulation d’un grand nombre de fonctions biologiques de la digestion à la sensation de locomotion. Mais le système nerveux périphérique peut faire encore plus que cela, c’est pourquoi DARPA a déjà des programmes de recherche en cours pour exploiter un certain nombre de fonctions — comme un substitut pour les médicaments pour traiter les maladies et accélérer la guérison, par exemple, ainsi que pour le contrôle avancé des prothèses et de restaurer la sensation tactile à leurs utilisateurs.

Maintenant, en poussant ces limites plus loin, DARPA vise à mobiliser les nerfs périphériques de l’organisme pour réaliser quelque chose qui a longtemps été considéré comme le seul domaine du cerveau : faciliter l’apprentissage.


Des scientifiques découvrent comment télécharger des connaissances à votre cerveau


Le nouveau programme de formation de neuroplasticité ciblée (TNT-Targeted Neuroplasticity Training), cherche à faire avancer le rythme et l’efficacité d’un type spécifique d’apprentissage — compétences cognitives — par l’intermédiaire de l’activation précise des nerfs périphériques qui peuvent à leur tour promouvoir et renforcer les connexions neuronales dans le cerveau. TNT poursuivra le développement d’une plateforme technologique pour améliorer l’apprentissage d’un large éventail de compétences cognitives, dans le but de réduire le coût et la durée du vaste programme d’entraînement approfondie du Département de la Défense, tout en améliorant les résultats. En cas de succès, TNT pourrait accélérer l’apprentissage et réduire le temps nécessaire pour former des spécialistes en langue étrangère, des analystes du renseignement, cryptographes et d’autres.

Le programme est également remarquable parce que, contrairement aux projets précédents de DARPA en neuroscience et neurotechnologie, il aura pour but non seulement de rétablir (de restaurer) la fonction perdue, mais de faire progresser les capacités au-delà des niveaux normaux.

« Les recherches récentes ont démontré que la stimulation de certains nerfs périphériques, facilement et sans douleur atteint à travers la peau, peut activer les régions du cerveau impliquées dans l’apprentissage, » a déclaré TNT Program Manager Doug Weber, ajoutant que les signaux peuvent potentiellement déclencher la libération de neurotransmetteurs (substances neurochimiques) dans le cerveau qui réorganisent les connexions neuronales en réponse à des expériences spécifiques. « Ce processus naturel de la plasticité synaptique est essentiel pour l’apprentissage, mais une grande partie est inconnue sur les mécanismes physiologiques qui relient la stimulation des nerfs périphériques pour améliorer la plasticité et l’apprentissage », a déclaré Weber. “Vous pouvez penser à la stimulation des nerfs périphériques comme un moyen de rouvrir la période dite « critique » lorsque le cerveau est plus facile et adaptatif. La technologie TNT sera conçue pour moduler en toute sécurité et avec précision les nerfs périphériques pour contrôler la plasticité aux points optimaux dans le processus d’apprentissage. »

DARPA a l’intention d’adopter une approche en couches à l’exploration de ce nouveau terrain. La recherche fondamentale portera sur l’acquisition d’une compréhension plus claire et plus complète de la façon dont la stimulation nerveuse influe sur la plasticité synaptique, comment les processus d’apprentissage des habilités (des compétences) cognitives sont réglementés dans le cerveau et les façons d’améliorer ces processus pour accélérer en toute sécurité l’acquisition de compétences tout en évitant les effets secondaires potentiels.

Le côté technique du programme ciblera le développement d’un dispositif non-invasif qui produit la stimulation des nerfs périphériques pour améliorer la plasticité dans les régions du cerveau responsables des fonctions cognitives. L’objectif est d’optimiser les protocoles de formation qui accélèrent le rythme d’apprentissage et de maximiser la rétention à long terme de même les compétences cognitives plus complexes. Pour atteindre ces objectifs divers, TNT espère attirer des équipes pluridisciplinaires couvrant les milieux tels que les neurosciences cognitives, la plasticité neuronale, électrophysiologie, neurophysiologie des systèmes, génie biomédical, la performance humaine et la modélisation informatique.

Afin de familiariser les participants potentiels avec les objectifs techniques du TNT, DARPA organisera une journée le vendredi 8 avril 2016, au Westin Arlington Gateway à Arlington, en Virginie. L’avis spécial de DARPA annonçant la journée et décrivant les fonctionnalités spécifiques recherchés est disponible à https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-16-20/listing.html.

Une annonce avec des informations techniques complètes sur la TNT est imminente. Pour plus d’informations, veuillez envoyer un email DARPA-SN-16-20@darpa.mil.

Source : DARPA News