Physique

1. Zoom sur les ICM :

1. Définition d'une ICM :

Une interface cerveau-machine (ICM ou BCI) est un dispositif de liaison directe entre le cerveau d'un individu et un ordinateur permettant à l’individu de communiquer avec le monde extérieur sans passer par les voies naturelles formées de la moelle épinière, des nerfs et des muscles.

1. Historique de recherche :

1. Notions neurophysiologiques et la machine

1. Notions neurophysiologiques :

1. Le cerveau :

        A l’abri dans la boîte crânienne et baignant dans le liquide céphalo-rachidien le cerveau est l'organe le mieux protégé de tout le corps humain. Ce dernier ne représente que 2 % du poids de notre corps mais mobilise 20 % de la circulation sanguine (ceci témoigne d'une activité cérébrale intense, continue et essentielle). Le cerveau est le centre de notre système nerveux central: l'ensemble des nerfs de notre corps convergent vers le cerveau par le biais de la moelle épinière. Il a pour rôle de contrôler les actions volontaires (ex : se lever) et involontaire (ex : la respiration) de notre organisme sans oublier toutes les fonctions cognitives comme la mémoire, l'attention, le langage, etc...

Cette organe est divisé en deux hémisphères (deux parties) : un hémisphère droit et un hémisphère gauche. Ils sont reliés entre eux par le corps calleux (substance blanche) et sont anatomiquement symétriques. Ils sont donc composés de même aire fonctionnelle. Du fait de l'entrecroisement des voies nerveuses dans le trajet cerveau-moelle épinière chaque hémisphère contrôle la moitié du corps qui lui est opposée. Les deux hémisphères cérébraux sont subdivisés en différents lobes qui sont au nombre de quatre. Tous les lobes interagissent entre eux et chaque lobe assure un rôle bien particulier.

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Fig. B.1.1- Schématisation des 4 différents lobes du cerveau humain

• Le lobe frontal (en bleue) est situé dans la partie antérieure (avant) des hémisphères cérébraux (juste derrière le front). Il est responsable de la coordination motrice volontaire.

• Le lobe temporal (en vert) est situé sur le côté, près de l'os temporal. Il permet l'audition, le langage, mais également la mémoire.

• Le lobe pariétal (en jaune) est situé dans la partie moyenne du cerveau. Il analyse les informations complexes (impliquant plusieurs sens).

• Le lobe occipital (en rouge) est situé à l’arrière des  hémisphères près de l'os occipital du crâne. Il est le centre visuel.

1. Les neurones :

Le cerveau humain est formé de milliard de cellules nerveuses appelées « neurones ». C'est aux neurones qu'ont attribue le fonctionnement cérébral.

Ces cellules nerveuses sont constituées d'un corps cellulaire ou soma et de deux types de prolongement : l'axone qui est unique et de nombreuses ramifications appelées dendrites (7000 en moyenne pour chaque neurone).

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Fig B.1.2 - Schématisation d'un neurone

Les neurones sont des cellules excitables qui présentent des variations plus ou moins brusque du potentiel de la membrane (tension électrique de part et d'autre de la membrane). Ils sont caractérisées par un potentiel dit de « repos » (-70mV) entrecoupé de potentiels dits « d'action ». Le potentiel de repos traduit pour l'essentiel une répartition inégale des ions sodium et potassium de part et d'autre de la membrane : concentration élevée d'ions sodium dans le compartiment extracellulaire et une concentration élevée dans le compartiment intracellulaire.

L'ouverture des canaux et donc du potentiel d'action n'apparaissent que lorsque le potentiel de la membrane atteint une valeur seuil ou seuil d'excitation (-50mV dans le neurone) déterminé par la proximité d'un autre potentiel.

L'existence d'un potentiel d'action correspond à une modification passagère de la perméabilité membranaire qui est décomposable en 3 étapes :

• La dépolarisation (en vert) : la stimulation provoque l'ouverture des canaux à sodium (Na+). Les ions Na + traversent ces canaux et pénètrent ensuite dans la cellule. La face externe de la membrane devient alors électronégative, et la face interne devient électropositive.

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• La repolarisation (en violet) : les canaux à sodium se ferment, donc le sodium ne peut plus rentrer. Quant à eux les canaux à potassium s'ouvrent : les ions K+ sortent pour compenser l'entrée des ions Na +. La face externe de la membrane redevient alors électropositive, et la face interne redevient électronégative : la membrane est à nouveau polarisée.

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• L’hyperpolarisation (en jaune) : les canaux à K+ restent ouverts et permettent donc aux ions K+ de continuer à sortir de la cellule. La face externe de la membrane devient alors hyperpositive, et la face interne devient hypernégative.

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Dés lors qu'il y a existence d'un potentiel d'action en un point d'un neurone cela entraîne une dépolarisation de la membrane plasmique adjacente qui est responsable de l'ouverture de canaux (Na+ puis K+) : il y a alors apparition d'un nouveau potentiel d'action car le seuil d'excitation est toujours atteint. La création à la suite de nouveaux potentiels d'action permet la propagation du message nerveux le long de l'axone du neurone. Il est a préciser que la propagation du message nerveux le long de l'axone du neurone est unidirectionnelle et que la vitesse de propagation du message varie en fonction de la composition des fibres nerveuses (fibre nerveux myélinisée: gaine lipidique autour de la fibre ou non).

Lorsque le potentiel d'action atteint la terminaison présynaptique cela va déclencher plusieurs phénomènes qui amèneront à la libération du neurotransmetteur : transmission synaptique. La

transmission synaptique se fait en 7 étapes détaillées ci-dessous :

1. Synthèse du neurotransmetteur dans l'élément présynaptique.

1. Stockage du neurotransmetteur dans des vésicules dans la terminaison synaptique.

1. L'arrivée du potentiel d'action provoque au niveau du bouton synaptique l'entrée d'ions calcium et la migration des vésicules contenant le neurotransmetteur vers la fente synaptique.

1. Exocytose des vésicules présynaptiques par la fusion de leur membrane avec la membrane plasmique du bouton présynaptique, les vésicules libèrent les molécules de neurotransmetteur dans la fente synaptique.

1. Le neurotransmetteur se fixe sur les récepteurs de la membrane postsynaptiques.

1. La fixation du neurotransmetteur sur les récepteurs provoque une stimulation du neurone qui permet la création et la transmission d'un nouveau message nerveux.

1. Le neurotransmetteur est ensuite éliminé de la fente synaptique soit en étant dégradé par une enzyme spécifique dans la fente synaptique ou soit en retournant dans le neurone présynaptique.

Seule l'arrivée de plusieurs potentiel présynaptique

Fig B.1.3 – Propagation du potentiel d'action dans le neurone

Il existence deux types de neurotransmetteurs, certains sont dit « excitateurs » (ils favorisent la propagation de l'influx nerveux) comme par exemple l'acéthylcholine :

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D'autres sont dit « inhibiteurs » (ils diminuent le potentiel électrique) comme par exemple le GABA :

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1. La machine :

1. Différentes méthodes d'acquisition :

        De nos jours, il existe de nombreuses techniques d'enregistrement permettant de capter l'activité cérébrale et de la convertir en signaux qui peuvent être utilisés dans le but de réaliser une ICM. On parlera ainsi de différents types d'ICM : ICM « invasives », ICM « partiellement invasives » et ICM « non invasives ».

1. Méthodes d'enregistrement invasives 

La méthode d'enregistrement dite « invasive » est la plus délicate car, l'unique électrode ou grille d'électrodes sont placées à l’intérieur du cerveau. Cette méthode nécessite une opération chirurgicale faisant appel à un neurochirurgien. Les électrodes peuvent enregistrer les champs électriques locaux LFP (Local Field Potential) provenant des activités synaptiques des neurones.