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.

Stimuler la plasticité synaptique pour accélérer l’apprentissage
Des scientifiques découvrent comment télécharger des connaissances à votre cerveau
La stimulation cérébrale électrique améliore la créativité, disent les chercheurs
Un implant cérébral se connectera avec 1 million de neurones
DARPA projette de concevoir le modem cortical
Insérer une carte-mémoire dans son cortex

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.

Un implant de la taille d’un grain de poussière pourrait surveiller des nerfs en temps réel
Des implants cérébraux conçus pour fondre et ne laisser aucune trace
Surveiller le cerveau avec un implant soluble

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
Éthique sur le champ de bataille dans un futur proche
Augmentation des performances humaines avec les nouvelles technologies : Quelles implications pour la défense et la sécurité ?
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

Un implant de la taille d’un grain de poussière pourrait surveiller des nerfs en temps réel

Neural dust
Credit: UC Berkeley

Des ingénieurs de l’Université Berkeley ont fabriqué le premier capteur sans-fil, de la taille d’un grain de poussière pouvant être implanté dans le corps humain.

Ces capteurs sans batterie pourraient être utilisés pour stimuler des nerfs et des muscles, cette technologie ouvre aussi la porte à “l’électroceutique[1]” pour traiter les troubles comme l’épilepsie, pour stimuler le système immunitaire ou bien encore diminuer les inflammations.

La soi-disant « poussière » neuronale, que l’équipe a implantée dans les muscles et les nerfs périphériques des rats, est unique du fait que des ultrasons sont utilisés pour actionner et lire les mesures. La technologie des ultrasons est déjà bien développée pour l’usage hospitalier, et les vibrations ultrasonores peuvent pénétrer presque n’importe où dans le corps, contrairement aux ondes radios, disent les chercheurs.

« Je pense que les perspectives à long terme pour les poussières de neurones ne sont pas seulement dans les nerfs et le cerveau, mais sont bien plus larges », dit Michel Maharbiz, professeur agrégé en génie électrique et sciences informatiques. « Avoir accès à la télémétrie à l’intérieur du corps n’a jamais été possible parce qu’il n’y avait aucun moyen d’insérer quelque chose d’extrêmement petit très profondément [dans le corps]. Mais je peux maintenant prendre un grain de rien du tout et le placer à côté d’un nerf ou d’un organe, dans votre appareil digestif ou un muscle, et lire les données télémétriques [qui en ressortent]. »

Les capteurs, que les chercheurs ont déjà miniaturisé à 1 millimètre cube – environ la taille d’un gros grain de sable – contiennent un cristal piézoélectrique qui convertit les vibrations ultrasons venant de l’extérieur du corps en électricité pour alimenter le capteur intégré, qui est en contact avec une fibre nerveuse ou musculaire. Une pointe de tension dans la fibre modifie le circuit et la vibration du cristal, qui change l’écho détecté par le récepteur d’ultrasons, typiquement le même dispositif qui génère des vibrations. Le léger changement, appelé rétrodiffusion (backscatter en anglais), leur permet de déterminer le voltage (la tension).

Tel que rapporté dans la revue Neuron, les chercheurs ont mis sous tension les capteurs passifs toutes les 100 microsecondes avec six pulsions ultrasonores de 540 nanosecondes, ce qui leur a donné une lecture continue en temps réel. Ils ont recouvert la première génération de nœud capteur (dit “mote” en anglais) – 3 millimètres de long, 1 millimètre de haut, et 4/5 millimètres de large – avec de l’époxy chirurgicale, mais ils sont actuellement en train de fabriquer des nœuds capteurs à partir de fines couches biocompatibles qui pourraient durer à l’intérieur du corps sans dégradation pendant une décennie ou plus.

Tandis que les expériences à ce jour ont porté sur le système nerveux et les muscles périphériques, les grains de poussière neuronaux pourraient fonctionner aussi bien dans le système nerveux central et le cerveau pour contrôler des prothèses. Les électrodes implantables d’aujourd’hui se dégradent en une ou deux années, et se connectent toutes via des fils passant à travers des trous dans le crâne. Les capteurs sans-fil – de plusieurs douzaines à une centaine – pourraient être scellés à l’intérieur, évitant ainsi les infections et les mouvements incontrôlés des électrodes.

« Le but originel du projet de poussière neuronale (the neural dust project) était d’imaginer la prochaine génération d’interfaces cerveau-machine, et d’en faire une technologie clinique viable », dit l’étudiant diplômé de neuroscience Ryan Neely. « Si un paraplégique veut contrôler un ordinateur ou un bras robotisé, vous n’auriez qu’à implanter cette électrode dans le cerveau et elle durerait toute une vie. »

Neural Dust System Overview
(A) An external transducer powers and communicates with a neural dust mote placed remotely in the body. Driven by a custom transceiver board, the transducer alternates between transmitting a series of pulses that power the device and listening for reflected pulses that are modulated by electrophysiological signals.
(B) A neural dust mote anchored to the sciatic nerve in an anesthetized rat. Inset shows neural dust mote with optional testing leads.
(C) Components of a neural dust mote. The devices were assembled on a flexible PCB and consist of a piezoelectric crystal, a single custom transistor, and a pair of recording electrodes.
(D) The transceiver board consisted of Opal Kelly FPGA board, application-specific integrated circuit (ASIC) board (Seo et al., 2015, Tang et al., 2015), and the transducer connector board.

De plus en plus petit

Dans un précédent article publié en 2013, les chercheurs estimaient qu’ils pourraient miniaturiser les capteurs d’un cube de 50 microns de chaque côté – environ 2/1000 millième d’un pouce, soit la moitié de la largeur d’un cheveu humain. À cette taille, les nœuds capteurs pourraient nicher à seulement quelques axones des nerfs et enregistrer en continu leur activité électrique.

« Les capteurs sont assez petits pour avoir une bonne application dans le système nerveux périphérique, pour le contrôle de la vessie ou la suppression de l’appétit, par exemple », explique le co-auteur Jose Carmena, professeur en génie électrique et sciences informatiques. « La technologie n’est pas encore tout à fait là pour arriver à la taille visée de 50 microns, dont nous aurions besoin pour le cerveau et le système nerveux central. Une fois que cela sera cliniquement prouvé, la poussière neuronale remplacera les électrodes filaires. À ce moment, une fois que vous fermez le cerveau, vous avez fini. »

L’équipe travaille maintenant à miniaturiser davantage le dispositif, trouver des matériaux biocompatibles, et à améliorer l’émetteur-récepteur de surface qui envoie et reçoit les ultrasons, idéalement en utilisant la technologie d’orientation (de balayage) de faisceaux pour focaliser les ondes sonores sur des nœuds capteurs individuels. Ils sont en train de construire de petits sacs à dos pour les rats pour maintenir l’émetteur-récepteur à ultrasons qui enregistre les données des nœuds capteurs implantés.

Pourquoi des ultrasons ?

Ils travaillent également à élargir la capacité des nœuds capteurs à détecter des signaux non-électriques, tels que les niveaux d’oxygène ou le taux d’hormones.

« Le plan est d’implanter ces grains de poussière neuronaux (neural dust motes) partout dans le corps, et d’avoir un patch sur l’emplacement implanté envoyant des ondes par ultrasons pour réveiller et recevoir les informations nécessaires en provenance des nœuds capteurs pour le traitement souhaité que vous voulez », dit Dongjin Seo, un étudiant diplômé en ingénierie électrique et sciences informatiques. « Finalement vous pouvez utiliser plusieurs implants et un seul patch qui cingleraient (that would ping) chaque implant individuellement, ou tous en même temps ».

Les chercheurs ont conçu l’idée de poussière neuronale il y a environ cinq ans, mais les tentatives pour alimenter un dispositif implantable et lire les données en utilisant des ondes radio ont été décevantes. [Les ondes] radio s’atténuent très vite avec la distance dans les tissus, de sorte que communiquer avec des dispositifs profonds dans le corps serait difficile sans utiliser le rayonnement à haute intensité potentiellement dangereuse.

Marharbiz a eu l’idée des ultrasons, et publie en 2013 un document décrivant comment un tel système pourrait fonctionner. « Notre première étude a démontré que la physique fondamentale des ultrasons permettait l’utilisation de très petits implants qui pourraient enregistrer et communiquer les données neuronales », dit Maharbiz. Lui et ses étudiants ont aujourd’hui créé ce système.

« L’ultrason est beaucoup plus efficace quand vous avez des dispositifs qui sont à l’échelle millimétrique ou plus petits et qui sont incorporés profondément dans le corps », dit Seo. « Vous pouvez obtenir beaucoup de puissance et transférer beaucoup plus efficacement de l’énergie et de la communication en utilisant les ultrasons, par opposition aux ondes électromagnétiques, ce qui a été la méthode d’utilisation de transfert d’énergie sans fil dans des implants miniatures. »

« Maintenant que vous avez un capteur neuronal fiable, peu invasif dans le corps, la technologie pourrait devenir le conducteur pour toute une gamme d’applications, des choses qui aujourd’hui n’existent même pas », dit Carmena.

La Defense Advanced Research Projects Agency of the Department of Defense (DARPA) a soutenu les travaux.

via Futurity, Source: UC Berkeley

Original Study DOI: 10.1016/j.neuron.2016.06.034

Traduction Thomas Jousse

Note :

[1] Stimulation non invasive du nerf vague (nVNS) pour le traitement de plusieurs troubles des domaines neurologique, psychiatrique, gastro-entérologique et autres.

L’électroceutique ou bioélectronique qui allie biologie, informatique, science des matériaux et nanotechnologie en liaison avec le réseau électrique naturel du corps. En y ajoutant la science du cerveau et de l’intelligence artificielle, on touche à la cognitique pour créer les NBIC. On en vient à modéliser le vivant au milliardième de mètres, et Glaxo-Smith-Kline (GSK) est leader en ce domaine. On prévoit des nano circuits réparateurs, auto dissolvants à la chaleur du corps, une fois leur mission achevée. Les recherches sont concentrées actuellement sur l’asthme, puis le diabète. Concrètement, il s’agit d’un « dispositif sans fil implantable qui permettrait d’enregistrer, de stimuler et de bloquer les signaux neuronaux sur un seul organe » selon Stéphane MARCHAND, Rédacteur en chef de ParisTechReview.

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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