Mesurer le libre arbitre des sauteuses élastiques

Image: Surjo Soekadar

Le jeune homme de 19 ans se tenait sur les lèvres du Pont Europa autrichien, à 192 mètres d’altitude, avec un élastique à la cheville attaché à ses chevilles et, après avoir surmonté sa peur, il a d’abord plongé la tête hors de la plate-forme.

C’était l’acte ultime du libre arbitre. Le sauteur à l’élastique devait se commander lui-même de «sauter» malgré l’instinct de son corps à s’éloigner du rebord. Pourtant, avant ce moment – jusqu’à une seconde avant de prendre conscience de son intention de sauter – son cerveau avait déjà donné l’ordre.

Cette commande se présente sous la forme d’une augmentation distincte du potentiel électrique dans le cortex moteur du cerveau. Et mieux comprendre comment cela est associé aux intentions de l’esprit peut aider les ingénieurs à améliorer les dispositifs contrôlés par l’esprit.

À cette fin, des chercheurs allemands ont décrit cette semaine une série d’expériences dans lesquelles ils ont mesuré l’activité cérébrale associée au libre arbitre des sauteuses.

Les chercheurs, dirigés par le neuroscientifique Surjo Soekadar de l’hôpital universitaire de Tübingen, espèrent que les mesures les aideront à construire de meilleurs exosquelettes de la main et d’autres dispositifs robotiques qui peuvent être contrôlés uniquement par les pensées de l’utilisateur.

Ces dispositifs contrôlés par l’esprit, également connus sous le nom de technologies d’interface cerveau-ordinateur (BCI), traduisent l’activité électrique du cerveau en actions. Cela implique généralement l’enregistrement de l’activité cérébrale de l’utilisateur avec l’électroencéphalographie (EEG) et l’analyse des modèles en utilisant des algorithmes. Un ordinateur traduit ensuite l’activité cérébrale en signaux de contrôle, comme une commande pour déplacer un exosquelette de main robotique.

Le défi consiste à former les algorithmes pour interpréter correctement les intentions de l’utilisateur, et sans délai. Jusqu’à présent, les systèmes BCI n’ont pas atteint cet objectif ambitieux. De tels systèmes sont souvent basés sur la traduction de l’activité cérébrale qui est modulée lorsque l’utilisateur imagine ou exécute consciemment un mouvement, ou une activité sensorimotrice, dit Soekadar.

Mais il y a un modèle d’activité cérébrale qui se produit avant cela. Il est connu sous le nom de potentiel de Bereitshafts, ou potentiel de préparation, et il se produit dans le cortex moteur du cerveau environ une seconde avant que nous soyons conscients de notre décision de bouger, et environ 1,5 seconde avant que nous n’initions physiquement le mouvement.

Soekadar dit qu’il croit que la mesure et la compréhension de cette activité électrique précoce, combinées avec l’activité cérébrale sensori-motrice, pourraient l’aider à former des algorithmes pour interpréter les intentions de l’esprit de façon plus fiable et le plus tôt possible. “Cela nous donne une autre source de preuves que quelqu’un veut vraiment faire quelque chose”, comme saisir un objet, dit-il.

Photo: Lüder Deecke

Bereitshaftspotential a été signalé pour la première fois en 1964 par Lüder Deecke et son mentor Hans Helmut Kornhuber à l’Université de Fribourg en Allemagne. Le stockage numérique et l’analyse des enregistrements EEG n’étant pas disponibles à ce moment-là, ils enregistraient l’activité cérébrale sur des bandes magnétiques et la jouaient à rebours dès le début du mouvement moteur auto-initié.

Depuis lors, de nombreux groupes ont enregistré et expérimenté un potentiel de préparation, trouvant pour la plupart le même phénomène: un motif caractéristique reconnaissable dans le cortex moteur qui précède d’une seconde la décision consciente d’agir.

Mais toutes ces expériences ont été menées dans des conditions de laboratoire strictes. Soekadar et son étudiant au doctorat, Marius Nann, voulaient savoir si les ondes cérébrales associées au potentiel de préparation se ressembleraient dans des situations réelles où les participants exerçaient clairement leur libre arbitre.

“Dans le laboratoire, il n’y a pas beaucoup de volonté nécessaire”, dit Soekadar. “Mais sur une plate-forme de saut à l’élastique, vous devez surmonter votre peur. C’est tout un choix parce que c’est une situation potentiellement mortelle. »Pensez: La corde est trop longue. Le harnais qui casse.

Photo: Surjo Soekadar

Il a donc recruté quelques jeunes de 19 ans pour enregistrer leur activité cérébrale alors qu’ils se tenaient sur la plate-forme du pont Europa pour faire une série de sauts à l’élastique. Les plongeurs ont choisi le moment de sauter (sans compte à rebours de quelqu’un d’autre) et ont choisi le nombre de sauts à effectuer (ils ont fini par en faire 30 en tout).

Pour chaque saut, Soekadar les a équipés d’un capuchon EEG sans fil pré-amplifié. L’équipement à la fine pointe de la technologie lui a permis d’enregistrer le potentiel de disponibilité sans artefacts ni bruit provenant d’autres parties du cerveau. Un accéléromètre sensible dans le casque a enregistré l’initiation de la plongée.

Les participants ont été choisis parce qu’ils avaient une vaste expérience de plongée en falaise. Cela leur permettait de garder leur corps immobile sur la plate-forme, et de diriger la plongée avec leurs têtes, là où se trouvait l’accéléromètre. “Ils avaient un contrôle parfait du corps”, explique Soekadar. Pourtant, “ils étaient vraiment nerveux”, dit-il. Contrairement à la plongée en falaise, le saut à l’élastique obligeait les plongeurs à dépendre des opérateurs de la plate-forme, qui étaient des étrangers, et à croire qu’ils avaient correctement assemblé tout l’équipement.

Lüder Deecke, le co-découvreur du potentiel de préparation, les a rejoints sur la plate-forme. Les expériences de saut à l’élastique sont «importantes pour développer davantage les dispositifs BCI», dit Deecke, qui a parlé avecIEEE Spectrumde sa maison à Vienne. “Les expériences précédentes dans le laboratoire sont très éloignées de la vie quotidienne. Les exosquelettes doivent fonctionner dans la réalité. “

L’expérience peut également «nous dire si nous avons le libre arbitre ou non», dit Deecke. Et c’est là que Bereitshaftspotential devient lourd.

Certains scientifiques ont historiquement soutenu que puisque l’activité cérébrale associée au potentiel de préparation se produit avant que nous soyons conscients de notre intention, cela sert de preuve que nous n’avons pas le libre arbitre.

L’expérience de Soekadar suggère le contraire, dit Deecke. En décidant de sauter, une personne doit «travailler activement contre ses instincts de survie», dit-il. “Personne ne peut me dire que nous n’avons pas besoin de libre arbitre pour le faire.”

Alors la prochaine fois que vous vous trouvez dans un harnais de saut à l’élastique – ou peut-être simplement debout au bord d’une piscine froide – en essayant de travailler le nerf pour franchir le pas, notez le moment distinct que vous vous dites de sauter. Et sachez qu’environ une seconde avant ce moment, votre cerveau avait déjà donné l’ordre.

Les appareils BCI devraient répondre plus tôt à nos intentions, mais peut-être pas aussi tôt.