Projet ANR-14-CE24-0019 – NEUROWHISK : Vers des interfaces cerveau-machine plus performantes: intégration d'un retour sensoriel dans un conditionnement opérant de neurone unitaire
Programme : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Valérie Ego-Stengel (Unité de Neuroscience, Information et Complexité)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 398653.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Notre projet de recherche est centré sur l'étude des motifs spatiotemporels d'activité neuronale sous-tendant l'apprentissage d'une nouvelle tâche comportementale, ici l'utilisation d'une neuroprothèse motrice dans laquelle on aura incorporé un retour sensoriel. 
Tout au long de leur vie, les animaux apprennent de nouvelles informations et les intègrent à leur corpus de connaissances. Ce processus est nécessaire afin d'adapter le comportement de manière optimale à un environnement en évolution permanente. Cet apprentissage implique des modifications dans les structures neuronales du cerveau adulte, et ce sur des échelles de temps multiples. Notre objectif général au laboratoire est la compréhension des mécanismes neuronaux mis en jeu dans les réseaux de neurones corticaux pendant la mémorisation de nouvelles expériences. Nous voulons mettre en évidence les motifs spatiotemporels qui peuvent déclencher des règles de plasticité cellulaire et de connectivité au niveau des cortex sensoriels primaires et moteurs. 
Dans cette optique, les neuroprothèses offrent une approche interdisciplinaire intéressante. Ce domaine de recherche s'intéresse à la réalisation d'une interface entre le cerveau, un objet robotique et notre environnement sensoriel, avec le but de rétablir une suppléance sensorielle ou une capacité de  d’action que le sujet n'avait plus. Outre l'intérêt médical évident de redonner à terme une certaine autonomie à des patients atteints de déficits moteurs ou sensoriels, les neuroprothèses permettent de tester causalement des hypothèses sur le codage neuronal et les mécanismes de plasticité centrale. Le versant moteur d'une prothèse analyse l'activité de décharge d'un ou plusieurs neurones à l'aide de règles prédéfinies afin de contrôler des actuateurs externes, en leur imposant un mouvement ; il s'agit ainsi de lire l'activité neuronale. Du côté sensoriel, l'interface doit fournir au cerveau des informations sur les stimuli afférents : il faut dans ce cas encoder la réafférence en motifs de décharge, donc écrire le code neuronal directement dans les réseaux. Dans les deux cas, la performance de la neuroprothèse implique certainement une adaptation des éléments neuronaux en contact avec l'interface. Il s'agit donc naturellement d'une approche dans laquelle on peut étudier la nature et l'étendue des mécanismes de plasticité à l'oeuvre lors d'un apprentissage. 
Dans les dernières quinze années, la conception de neuroprothèses efficaces est devenu un objectif majeur de la recherche visant à améliorer les conditions de vie de patients amputés ou tétraplégiques. Cependant, les prototypes réalisés jusqu'ici sont souvent rejetés par les patients : ceux-ci leur trouvent des capacités trop restreintes, et ne réussissent pas à les « sentir » comme des parties intégrantes de leur corps. Afin d'améliorer à la fois la dextérité de la neuroprothèse et son appropriation par le patient, les chercheurs doivent absolument incorporer un retour sensoriel permettant de « sentir » l'actuateur robotique dont l'utilisation doit devenir naturelle.
Dans ce projet, nous proposons d'explorer l'incorporation d'un retour sensoriel pendant la manipulation d'un actuateur robotique en utilisant le système sensorimoteur des vibrisses du rat comme modèle expérimental. Dans la continuité de nos travaux précédents, l'activité de neurones individuels du cortex moteur sera entraînée, par conditionnement opérant, à contrôler le déplacement d'un actuateur portant une récompense. Nous introduirons des signaux tactiles directement sur les vibrisses du rat, ou par microstimulation électrique dans le cortex somatosensoriel, et nous évaluerons leur impact sur l'efficacité et la robustesse de la neuroprothèse. Les résultats devraient améliorer notre compréhension des mécanismes fondamentaux sous-tendant le traitement neuronal et sa plasticité, une étape importante pour la construction de neuroprothèses ergonomiques.