MEDECINE ET ROBOTIQUE

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ACTUALITE


CONSCIENCE DES MACHINES OU ANTHROPOMORPHISME?

Les machines, peuvent-elles, un jour, prendre conscience? Le débat a été relancé par des chercheurs de l'université Columbia à New-York qui publient, dans le numéro de janvier 2019 de la revue Science Robotics, le compte-rendu d'une expérience spectaculaire. Ils ont fabriqué un bras robotisé qui s’est auto-programmé. Sans aucune notion préalable de géométrie ou de physique, le robot a appris seul à quoi il pouvait servir et a réussi à accomplir 2 tâches de préhension. Les auteurs pensent avoir acquis le premier pas vers la conscience des machines. Sans surprise, ils ont été intensément relayé sur les réseaux sociaux. Certains commentateurs ont manifesté leur inquiétude. Notre futur est-il menacé par une technologie émancipée qui absorberait progressivement la civilisation humaine jusqu'à l'asservir complètement?

Les chercheurs ont-ils vraiment ouvert le chemin vers des robots conscients?

Nous décrivons leur travail ci-dessous. Comme il est d'usage dans ce blog, la première partie de notre article est une description factuelle de la publication scientifique, simple résumé explicatif. La seconde partie est l'analyse de la rédaction de médecine-et-robotique.

Nous espérons que chacune et chacun d'entre vous trouvera matière à forger sa propre opinion sur ce sujet passionnant. 

 

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 La consultation médicale robotisée. Illustration par Vanessa Guedj  http://vanessaguedj.com

 

POURQUOI CETTE ETUDE? QUELLES ETAIENT LES MOTIVATIONS DES CHERCHEURS?

Les chercheurs exposent le raisonnement sous-jacent à la conception de leur expérience. Leur objectif est de fabriquer un robot capable d’apprendre par lui-même, sans programmation explicite préalable. Ils partent de l’hypothèse que la première étape dans cette voie est d’obtenir un système capable de créer une image de lui-même, ce que l’on appelle une auto-modélisation (« self-modeling » en anglais). A partir de là, le robot pourrait apprendre en planifiant ses actions intérieurement. Ceci pourrait alors avantageusement remplacer les méthodes actuelles d’apprentissage robotique où chaque tâche fait l’objet d’un entraînement physique coûteux. 

 

Pour atteindre leur but, les chercheurs ont utilisé l’apprentissage machine (« machine learning » en anglais). L’apprentissage machine est utilisé en intelligence artificielle pour faire apprendre une tâche déterminée aux systèmes. Ceci correspond à ce qu’on nomme l’intelligence artificielle (IA) « étroite » (« narrow artificial intelligence en anglais). Mais l'IA étroite ne peut pas généraliser, et donc, ne peut pas apprendre des tâches nouvelles toute la vie.

Ce cadre général étant posé, les chercheurs définissent un concept qui va guider leur travail: créer un « moi » du robot et le séparer de la tâche proprement dite. Ainsi, chaque nouvelle expérience permettrait à la machine de redéfinir elle-même son modèle et d’apprendre en permanence. 

Ces concepts sont probablement abstraits pour nombre de lectrices et de lecteurs. Nous allons maintenant décrire l’expérience, ce qui devrait aider  à les comprendre. 

 

QUELLE A ETE L'EXPERIENCE REALISEE PAR LES CHERCHEURS?

Description du robot

Le robot étudié est très éloigné de l'humanoïde de l'illustration ci-dessus. L'humanoïde est probablement l'image qui nous arrive lorsque l'on évoque un robot conscient capable d'apprendre. En réalité, la recherche n'en est pas encore à ce stade. Le robot étudié par les chercheurs de Columbia est un bras robotisé avec 4 degrés de liberté, avec une pince à l'extrémité. Il peut réaliser un plan horizontal de 37 cm de diamètre et de 51 cm dans le plan vertical. La distance maximale entre 2 points atteignable est de 74 cm.  

 

 Principe de l’apprentissage et de la création du modèle de soi-même (self-modeling)

La première étape a consisté à faire réaliser au bras robotisé 1000 trajectoires aléatoires au cours de laquelle il a découvert par lui-même ce qu’il était capable de faire. Pour chaque trajectoire, le système informatique a enregistré 1000 couples de données que les chercheurs ont nommé paires d'action-sensation. L'action correspond à la commande motrice ( la commande qui déplace la position du bras robotisé). La sensation correspond aux coordonnées dans l'espace (la position du robot après l'action de la commande motrice). Ceci donne un schéma en 3 dimensions en forme de cloche. Le "modèle de soi-même" n'est donc pas une représentation physique réelle du bras robotisé mais un graphique qui représente toutes les positions possibles du bras robotisé dans l'espace. 

Vous pouvez visualiser à la fois le robot de l'expérience et le graphique du modèle dans les 40 premières secondes de la video ci-dessous. (Video en anglais mais le plus important est de voir les images)

 

Les tâches apprises par le robot

Pour pouvoir apprendre, le robot doit capter les relations entre les positions dans l'espace et les commandes motrices. Les méthodes actuelles d’apprentissage profond, une forme particulière d’apprentissage machine, permettent de réaliser le traitement informatique des données nécessaire à cet objectif.

Les chercheurs ont donc implémenté un algorithme de deep-learning pour entraîner l'auto-modèle à réaliser 2 tâches, l'une de ramassage/placement, la seconde d'écriture à la main. Les 2 tâches peuvent être visionnée sur la video. 

Dans le premier exercice, il fallait saisir des billes de 20 mm de diamètre, 9 au total et les placer dans un verre. Le taux de réussite du ramassage a été de 44%, celui du dépôt dans le verre de 100%. Le deuxième exercice était une tâche d’écriture à la main. 

Enfin, les chercheurs ont réalisé une troisième expérience pour laquelle un élément du robot a été remplacée par un morceau plus long et déformé, l'idée étant de simuler une partie accidentée. Le robot a réussi à détecter la partie modifiée et s’est reprogrammé tout seul. La reprogrammation a demandé seulement 10% de données en plus. Le bras « accidenté » a ensuite été capable de réaliser la tâche de ramassage/placement avec seulement une petite perte de performance.

 

La conclusion des chercheurs

Pour les chercheurs, la réalisation de représentations de soi-même sera essentielle pour que les robots franchissent les limites de l’IA restreinte ( effectuer un petit nombre de tâches précises) et parviennent à l’IA générale (posséder des capacités cognitives comparables à celles du cerveau humain). Selon leur opinion, la séparation du « soi » et de la tâche, qu’ils ont essayé de reproduire dans leur expérience est, dans l’évolution de l’espèce humaine,  à l’origine de la conscience.

 

COMMENTAIRE DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

Les chercheurs new-yorkais ont présenté leur travail comme la réussite d’un robot qui a appris seul, parti de zéro, sans aucune notion de physique ou de géométrie. La nouvelle a été largement diffusée et commentée sur les réseaux sociaux. A leur suite, de nombreux commentateurs y ont vu l’apparition de la conscience des machines. 

Qu'en est-il réellement? 

Notre première interrogation porte sur le point de départ de l'apprentissage. Peut-on affirmer, comme le font les chercheurs, que le robot apprend à partir de zéro? Certes, aucun logiciel de physique ni de géométrie n’a été implémenté mais le bras robotisé n’est pas un objet inerte. L'apprentissage s'est fait par, et au moyen d'un système informatique auquel on a ajouté des algorithmes de deep learning.  L’informatique a été un élément essentiel de cette expérience et en a été le point de départ.

Ecrire que le robot a appris de zéro, c'est oublier un peu vite l’informatique. Les algorithmes d'apprentissage profond sont en effet des outils élaborés. En amont de leur expérience, les chercheurs ont réalisé une programmation informatique complexe pour orienter les algorithmes vers les tâches à accomplir. Elle ne représente certainement pas zéro et il est tout à fait regrettable qu'elle soit ainsi occultée dans la discussion des auteurs.

Cette expérience constitue une indéniable avancée technique mais il nous semble que le seul résultat scientifique qui puisse être retenu est le rôle efficace que peut jouer l'intelligence artificielle, l'apprentissage profond en particulier, dans l'élaboration de nouveaux robots.

Si la prouesse technique est indéniable, il ne faut pas extrapoler. Les chercheurs s'aventurent dans le champs des neurosciences et font de surprenantes comparaisons avec la biologie du cerveau. Ils sous-entendent que leurs algorithmes d'apprentissage ont donné au robot un « soi », détaché de l’action. Ils reprennent l'une des hypothèses en cours en sciences psychologiques pour affirmer que cette dissociation entre le "soi", capable de former une image de soi-même, et l'action est à l'origine de l'apparition de la conscience chez les humains. En réalité, nous ignorons totalement comment la conscience est arrivée aux   êtres vivants. Neuroscientifiques et anthropologues ont formulé de nombreuses hypothèses, toutes dignes d’intérêt, mais, à ce stade de nos connaissance scientifiques, aucune conclusion ne peut être avancée. Dès lors, comment affirmer avoir reproduit une entité dont on ignore presque tout?

Chacun appréciera la conclusion des chercheurs selon ses opinions et sa sensibilité personnelles. Pour notre part, nous estimons que les algorithmes d'apprentissage profond introduits dans ce bras robotisé ne forment pas un esprit conscient. Il ne sont rien d'autre que des composants techniques, tout à fait humains, issus des sciences et des techniques du XXIe siècle. Le robot des chercheurs de Columbia n’a rien imaginé et n’a pas pris conscience de lui-même. Il n’a pas de « soi », terme que nous continuerons à réserver à la psychologie humaine et animale. Attribuer des capacités cérébrales à ce bras robotisé est un anthropomorphisme.

 

 

 

 

 

 

 

 Lien vers la publication de Science Robotics que nous avons commentée

https://robotics.sciencemag.org/content/4/26/eaau9354/tab-figures-data

 

Video de présentation de la publication de Science Robotics (en anglais)

 

POUR EN SAVOIR PLUS

Sur l'apprentissage machine

LEXIQUE DE L'IA EN SANTE : QU'EST-CE QUE L'APPRENTISSAGE MACHINE?

 

Sur l'apprentissage profond (deep learning)

LEXIQUE DE L'IA EN SANTE: QU'EST-CE QUE LE DEEP LEARNING ?


18/04/2019
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MICRO-ROBOTS CIRCULANTS: UN TOURNANT POUR LA MEDECINE? PREMIERE PARTIE

Le journal Science Robotics a publié dans son édition du 22 novembre 2017, le résultat d'une série d'expériences menées conjointement par des chercheurs chinois et britanniques des universités de Hong Kong, Manchester et Edimbourg. Ils ont réussi à fabriquer des robots à partir d'une micro-algue qui a été recouverte de nanoparticules magnétiques. Ces Robots Magnétiques Bio-Hybrides, capables de circuler dans les liquides biologiques (sang, urine, liquide gastrique) sont facilement repérables par imagerie médicale, biodégradables et peu toxiques. Ils pourraient être utilisés pour réaliser du traitement ciblé, en particulier dans les cancers. De surcroit facile à fabriquer, ils pourraient être produit à large échelle à moindre coût. 

 

La possibilité de fabriquer des micro-robots médicaux téléguidés capables de circuler  dans le corps humain pour en atteindre les endroits les plus inaccessibles est à l’étude depuis plusieurs années. Mais les chercheurs étaient jusqu'à présent confrontés aux défis majeurs de la biodégradabilité et de la toxicité pour les organismes biologiques. Les auteurs annoncent avoir trouvé des solutions techniques qui pourraient bien s'avérer décisives et ouvrir la voie aux applications cliniques. 

Nous présentons et commentons cette recherche dans un article en deux parties. 

 

PREMIERE PARTIE: LE RESUME DE LA PUBLICATION DES CHERCHEURS.

Comment est fabriqué le robot ? Comment fonctionne -t-il? 

 

LA COMPOSITION DU ROBOT

Pour fabriquer le robot, l’équipe de recherche a transformé une algue, structure biologique, en corps magnétique. L’expression robot bio-hybride a été choisie pour le dénommer car il associe 2 composés, l’un vivant et l’autre minéral.

La première minute de la video ci-dessous nous le montre en mouvement dans de l'eau lors d'une expérience de laboratoire. Comme on peut le voir il a la forme d'un petit vers, d'environ 100μm.

 


 

 

 

LE COMPOSE VIVANT: LA MICRO-ALGUE Spirulina Platensis. 

Les chercheurs en cancérologie connaissent déjà cette micro-algue car elle contient un composé capable de tuer les cellules dans la leucémie, le carcinome à petites cellules ou encore l'adénocarcinome du colon. Cette toxicité de la micro-algue est spécifique, c’est à dire qu’elle agresse les cellules cancéreuses sans endommager les cellules normales.  

L’algue possède 2 autres propriétés intéressantes exploitées par les chercheurs. Elle est naturellement fluorescente, ce qui permet de la repérer facilement par imagerie médicale. La taille de son corps peut être modifiée et ajustée pour répondre au mieux aux impératifs de la fabrication du robot. 

 

LE COMPOSE MINERAL: LA MAGNETITE ( FORMULE: Fe3O4)

Pour fabriquer le robot, les chercheurs ont enduit les algues de nanoparticules de Fe3O4. Elles se lient aux molécules biologiques de surface sans altérer leur structure. La magnétite capte l’énergie magnétique, transformant l’algue en petit robot téléguidé. 

 

Le Fe3O4 est neutre biologiquement, c’est à dire qu’il est peu agressif pour les cellules humaines. Ses propriétés permettraient aussi d’ajouter de petites structures capables de se lier à des molécules pharmacologiques. La fonction du nanorobot pourrait ainsi évoluer vers la thérapeutique ciblée. 

 

 

NANO PARTICULE : particule de diamètre inférieur ou égal ( pas plus grand ) que 10- 9 m = un mètre divisé par 1 milliard 
MAGNETISME. Propriétés physique des aimants. Utilisé en médecine pour faire de l’imagerie par résonance magnétique ( IRM). Elle possède un grand pouvoir de pénétration au sein du corps humain et peut être transmise au robot sans fil, raison pour laquelle elle a eu la préférence des chercheurs parmi les autres choix énergétiques à leur disposition. 

 

QUELS ETAIENT LES PROBLEMES A RESOUDRE POUR LES CHERCHEURS? 

Premièrement, pour naviguer dans les liquides biologiques, il est nécessaire de pouvoir suivre le déplacement du robot en temps réel. Pour cela il faut disposer de procédés d’imagerie médicale non invasive. Les chercheurs ont utilisé l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) et la fluorescence naturelle de l’algue Spilurina Platensis. 

Deuxièmement, ces robots doivent être biodégradables c’est-à-dire, soit s'auto-détruire, soit être éliminé par l’organisme sans causer d’effets secondaires. 

Troisièmement, l’essaim de micro-robots doit pouvoir circuler dans le corps sans endommager les cellules normales. 

 

COMMENT DEPLACER LE MICRO-ROBOT ? 

Son mouvement est hélicoïdal. Il ne se déplace pas seul mais en grand nombre sous forme d'essaim de près d’un million de robots. 

L’essaim est piloté grâce à un aimant placé à distance du corps de l'animal. Les caractéristiques physiques du champ magnétique envoyé à l'essaim sont déterminées avec précision selon les propriétés magnétiques du robot, sa taille et sa forme. Pour la bonne compréhension des expériences présentées ici, il faut souligner que le champ magnétique qui mobilise le robot n'est pas le même que celui utilisé pour faire l’Imagerie par Résonance Magnétique. 

 

LE DEPLACEMENT AU SEIN DES LIQUIDES BIOLOGIQUES

Les chercheurs ont obtenu des résultats in vitro très satisfaisants dans plusieurs liquides biologiques: eau, sang, liquide gastrique, urine, huile de cacahuète visqueuse. 

Mais seul le liquide gastrique a été testé in vivo chez le rat. Le robot est superparamagnétique, ceci veut dire qu’il cesse d’être magnétique lorsqu’on arrête le champ énergétique. Ainsi, les robots ne peuvent pas se regrouper et former des conglomérats qui viendraient obturer les vaisseaux sanguins et provoquer des accidents médicaux, ce qui est essentiel pour assurer la sécurité de futures applications cliniques.    


 

IN VITRO ET IN VIVO

IN VITRO: expériences réalisée en milieu artificiel, en laboratoire

IN VIVO: expériences réalisées dans l'organisme vivant


 

 

COMMENT ONT ETE CONDUITES LES EXPERIENCES DE DEPLACEMENT ? 

Les expériences de télé-guidage ont été menées dans l'estomac chez le rat, en laboratoire. A ce jour, il n'y a pas eu d'essai chez l'être humain. 

Après l’avoir introduit dans l’estomac du rat, les chercheurs ont repéré l’essaim par IRM. Ils ont choisi de lui faire traverser l’estomac jusqu'à la zone sous-cutanée recouvrant le ventre de l’animal. Pour cela ils ont appliqué un champ magnétique depuis un aimant situé à proximité. 

Deux imageries à 5 min et 12 min ont été réalisées. Elles ont chacune repéré l’essaim à la position voulue. 

Les chercheurs ont cependant tenu à prouver que le déplacement était bien provoqué par le champs magnétique externe. En effet, d’autres causes aurait pu faire bouger le robot, le mouvement naturel du tube digestif - ou péristaltisme- par exemple. 

Pour le vérifier, ils ont introduit un essaim de robots dans un groupe contrôle, sans appliquer de champ magnétique. L’essaim n’a pas bougé leur donnant la preuve recherchée.

Les auteurs ont ainsi pu conclure qu’il était possible de propulser un essaim de robot bio-hybride au travers d’un estomac de rat et de suivre son déplacement par imagerie par résonance magnétique. 

 

LA BIO-DEGRADATION. 

Elle est dépendante des propriétés de Fe3O4 et du temps mis à enduire l’algue. Les temps sont choisis en fonction de l’application voulue: imagerie, thérapeutique..

Les temps de dégradation décrit dans les expériences vont de 24 à 72 h mais certains micro-robots persistent jusqu’à 168h si l’enduit est trop épais. 

 

LA TOXICITE DU ROBOT-BIOHYBRIDE ENVERS LES CELLULES CANCEREUSES

Dans les expériences menées par les chercheurs, le robot a été mis en contact avec des cellules humaines normales ( fibroblastes) puis avec des cellules de cancer du foie et de l’utérus. La cytotoxicité s’est avérée faible pour les cellules normales avec 80 % des cellules viables à 48h et élevée pour les cellules cancéreuses avec, à 48h d’exposition,  10% de survivantes dans le cancer du col de l’utérus et 50% dans le cancer du foie. 

Le robot étant composé de l’algue et de magnétite (Fe3O4), il était important de vérifier la provenance de la toxicité. Les chercheurs ont donc mené des expériences avec Fe3O4 seul. La toxicité de celui-ci est apparue marginale. C’est donc bien l’algue qui est toxique pour le cancer. Mais ces effets cytotoxiques apparaissent moins importants si la couche de Fe3O4 est plus épaisse. 

La toxicité de l’algue Spirulina Platensis envers les cellules cancéreuses est en fait déjà connue des scientifiques. Elle est provoquée par l’un des composants de sa membrane corporelle dénommé C-phyocyanine. Il interfère avec des mécanismes biologiques qui n’existent pas dans la cellule normale, entraînant  la mort des cellules cancéreuses tout en préservant les cellules normales.  

 

SUITE DE CET ARTICLE: LE COMMENTAIRE DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

LES MICRO-ROBOTS CIRCULANTS VONT-ILS OUVRIR UNE NOUVELLE PAGE DE L'HISTOIRE DE LA MEDECINE?

 

 

 

Référence:

Multifunctional biohybrid magnetite microrobots for imaging guided therapy

 

 

 

VIdeo de présentation de l'étude (en anglais) sur le site de Science Robotics 

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/robot-made-algae-can-swim-through-your-body-thanks-magnets


23/12/2017
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UNE INTELLIGENCE ARTIFICIELLE AUTORISEE A ETABLIR DES DIAGNOSTICS MEDICAUX SANS INTERVENTION HUMAINE

Le dépistage médical semble entrer dans une nouvelle ère avec l'autorisation délivrée par la FDA -instance américaine équivalente de notre Agence Nationale de Sécurité du Médicament et des Produits de Santé ( ANSM)- à un appareil dénommé IDx-DR.

 

Il s'agit d'un logiciel qui utilise un algorithme d’intelligence artificielle capable d'analyser une photographie de rétine. La photographie est prise par un médecin de premiers soins puis envoyée à un serveur situé dans le cloud internet. Si l’image est d’une qualité suffisante, le logiciel renvoie l’un des 2 résultats suivants:

  1. Rétinotaphie diabétique modérée ou plus : adresser le patient à un spécialiste
  2. Pas de rétinopathie détectée ou rétinopathie modérée: refaire un dépistage dans 12 mois

Le diagnostic est entièrement automatisé. Il n’est pas nécessaire de faire intervenir un professionnel pour interpréter les images. 

 

La video ci-dessous nous en montre le fonctionnement:


 

LE DEPISTAGE MEDICAL: PREMIERE UTILISATION DE L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE EN SANTE

Jusqu'à présent, aucun dispositif intégrant l'intelligence artificielle n'était réellement exploitable en médecine du quotidien. Notre perception de l'avenir de l'IA médicale était confuse, brouillée par les effets d'annonce médiatiques. L'autorisation de commercialisation d'IDx-DR valide un palier technologique et vient nous éclairer.  

L’exploitation première de l’IA en médecine semble donc être le dépistage. 

Le palier technologique est lié aux progrès du deep-learning qui permet aux machines d’être très performantes dans l’analyse d’images. Plusieurs études concluantes ont été publiées ces derniers mois dans le dépistage du mélanome, de la rétinopathie diabétique et du risque cardio-vasculaire. Nous allons y revenir dès les prochaines semaines sur medecine-et-robotique par une série d'articles consacrée à ce sujet. 


QU'EST CE QUE LE DEEP LEARNING?

Il s'agit d'une méthode de programmation qui permet à un ordinateur d'apprendre par lui-même. Il n'est pas nécessaire d'entrer dans la mémoire une base de données exhaustive, c'est son principal intérêt. Avec le deep-learning la machine modifie elle-même ses paramètres internes pour parvenir aux objectifs qui lui sont fixés. 

Nous aurons l'occasion d'expliquer cette technique plus en détail dans notre série d'articles sur l'IA en médecine ( parution à partir de mai 2018). 

 


 

 

Ajoutons le « psychiatre virtuel » développé par l’équipe de psychiatrie du CHU de Bordeaux qui permet d’utiliser un algorithme de dépistage de la dépression lors d’une consultation virtuelle avec un personnage animé. 

COMMENT FONCTIONNE LE PSYCHIATRE VIRTUEL ?

 

Nous voyons ainsi se créer un panel d’outils à destination des professionnels de premiers soins, infirmières et médecins généralistes.

Il apparaît clairement que la prévention et le dépistage, aidés par l'intelligence artificielle, vont occuper une place croissante dans l’activité des professionnels de santé et dans l'organisation de notre système de soins. 

 

Ref:  https://www.fda.gov/newsevents/newsroom/pressannouncements/ucm604357.htm


20/04/2018
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Quand l'intelligence artificielle sert à créer des formes de vie artificielles

C'est devenu banal. Au XXIe siècle, la fiction -tout au moins celle du XXe- est rattrapée par la réalité, toujours plus surprenante. Il y a 2 ans, nous présentions les micro-robots circulants. Des chercheurs américains ont peut être réussi à fabriquer des machines encore plus performantes et plus adaptables au corps humain. En s’aidant de l’intelligence artificielle, ils ont composé des « machines biologiques » à partir de cellules souches. Nous sommes donc, au sens propre, en train de parler de la création d'une vie artificielle. Que l’on se rassure, nous sommes très loin des êtres fantasmagoriques qui échappent au contrôle humain et menacent la civilisation. La machine dont il s’agit est composée de cellules biologiques assemblées. Mais, si elle répond bien à la définition scientifique du vivant, elle n'est rien de plus que cette définition. Inutile donc de verser dans l'imaginaire irrationnel. Les chercheurs envisagent plusieurs utilisations médicales fort intéressantes. Comme les micro-robots, les machines biologiques pourraient servir à transporter des médicaments, à faire de la chirurgie interne -éliminer des plaques d’athérome par exemple-ou encore à faire du repérage de cancers en formation.

Prenons quelques instants pour examiner leur travail. 

 

LE TRAVAIL DES CHERCHEURS EN QUELQUES QUESTIONS

 

Quel peut être l’intérêt des « machines biologiques » par rapport aux machines conventionnelles? 

Les matériaux synthétiques sont plus faciles à travailler et à utiliser pour concevoir des machines. Mais les meilleurs candidats pour fabriquer des matériaux biodégradables et bio-compatibles, ce sont les tissus biologiques eux-mêmes. C'est dans cette idée que les chercheurs ont utilisé des cellules souches. 

 

Bio-compatible. Un matériau est dit bio-compatible quand il interagit peu avec l’organisme. Il peut ainsi être intégré au corps humain sans provoquer de réaction de rejet. 

 

Cellule souche. Il s'agit d'une cellule précurseur de toutes les autres cellules de l'organisme. L'embryon, qui se forme après la fusion des gamètes (le spermatozoïde et l'ovule) contient des cellules souches, qui, après un certain nombre de divisions, se différencient pour donner naissance aux organes du corps. 

Une cellule souche peut donc donner n'importe quel type cellulaire. Cette propriété est très utilisée en médecine dans le traitement d'un nombre varié de maladies. 

 

Quel est le rôle de l’intelligence artificielle?

Les cellules forment le matériau de la machine biologique. Mais, pour obtenir le fonctionnement souhaité (se déplacer, transporter un objet), elles doivent être associées de façon précise. Pour savoir comment faire, les chercheurs ont fait de la simulation informatique.

 

In silico. Ce terme désigne la recherche faite par simulation informatique. Il vient s'ajouter à in vivo (recherche sur le vivant) et in vitro ( recherche en milieu artificiel). Le mot "silico" fait référence au silicium qui compose les circuits des ordinateurs. Les chercheurs ont conçu les machines biologiques "in silico" avant de les transférer "in vivo". 

 

Ce sont des techniques d’intelligence artificielle, plus précisément des algorithmes évolutifs qui ont été utilisées pour la recherche in silico. L'algorithme explorait les différentes possibilités d'associer les cellules. Puis, il simulait leur comportement  pour 4 actions que nous décrirons plus bas: la locomotion, la manipulation d'objet, le transport d'objet, le comportement collectif. Les associations les plus performantes étaient sélectionnées pour les expériences in vivo.

 

 

Comment les chercheurs ont-ils fabriqué la « machine biologique » à partir des cellules? 

Elles ont été fabriquées avec des cellules d’embryons de Xenopus laevis. 

 

Xenopus laevis est un petit amphibien originaire d’Afrique. Il est très utilisé comme modèle par les chercheurs en biologie. 

 

Après avoir été prélevées, les cellules ont été placées dans un milieu biologique à l’intérieur duquel elles se sont ré-agrégées pour former des sphères. La sphère a ensuite été travaillée à l’aide d’instruments de micro-chirurgie pour lui donner la forme souhaitée,c'est-à-dire celle proposée par la simulation informatique.

 

A quoi ressemblent les organismes fabriqués par les chercheurs?

Il ne s'agit pas d'animaux dotés d'un corps avec tête, tronc et membres comme l'est Xenopus. Les "machines biologiques" ont la forme de petites boules irrégulières.

 

Quelles étaient les actions des machines biologiques?

Après avoir été fabriquées selon la méthode résumée ci-dessus, les « machines biologiques » sont placées dans un milieu aqueux où leur comportement est observé et comparé à celui prédit par la simulation informatique. 

 

Les chercheurs ont défini 4 comportements à tester: la locomotion, la manipulation d’objet, le transport d’objet, le comportement collectif. 

 

La locomotion.

Pour donner aux organismes la capacité à se déplacer, les chercheurs ont exploité la propriété contractile naturelle des précurseurs du coeur. Ils en ont introduit un certain nombre en leur au sein. Pour le test de locomotion, ils ont posé les "machines biologiques" sur un plat. Les cellules cardiaques contractiles ont assuré le mouvement des organismes en les poussant contre la surface.

Les trajectoires spontanées observées étaient corrélées à celles prédites par la simulation  informatique.

La manipulation d’objet

Lorsque l’environnement contient des micro-particules, les organismes peuvent les fixer pour nettoyer la zone.  Il est également possible de les diriger vers une région cible à traiter. 

Le transport d’objet

Certains modèles ont été conçu par le logiciel avec un trou au milieu leur permettant de fixer un objet à transporter. 

Le comportement collectif

Des comportements collectifs ont été observés lorsque plusieurs machines étaient placées dans le même environnement. Par exemple, 2 organismes entrent en collision, restent liés temporairement en orbitant l’un autour de l’autre puis se séparent selon des trajectoires tangentielles. Ici aussi, ces comportements ont été prédits par la simulation informatique. 

 

Discussion des auteurs

Il a été possible, avec une technique d'intelligence artificielle, l'algorithme évolutif, de dessiner des modèles de machine qui peuvent ensuite être construits avec des matériaux biologiques plutôt qu’avec des matériaux synthétiques. 

Non seulement les formes mais aussi les comportement peuvent être prédits « in silico ». 

Bien qu’elle n’aient pas de système nerveux, les cellules ont une propension à se regrouper spontanément et à collaborer. Ainsi, on a observé qu’elles se déplaçaient selon une trajectoire prédictible, qu'elles pouvaient nettoyer les déchets de leur  environnement et qu’elles pouvaient se réparer elle-même lorsqu’elles étaient endommagées.

Les chercheurs insistent sur le fait que ce type de comportement spontané ne peut être attendu de machines artificielles. 

Concernant la médecine, les chercheurs pensent que l'on peut envisager la fabrication de « biobot » qui seraient des robots formés des propres cellules d’une personne. 

 

COMMENTAIRE DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

Quelle perspective enthousiasmante que le "biobot", tant la médecine personnalisée et non invasive est le défi du siècle ! L'athérosclérose et le cancer sont les 2 plus grands assassins de la planète. Tous les efforts de la recherche médicale tendent vers les thérapeutiques ciblées. Elles ont l'avantage, contrairement aux médicaments conventionnels de n'agir qu'au site de la maladie, d'être plus efficaces et de ne générer que peu d'effets secondaires. 
Les micros robots circulants sont d'excellents candidats pour cette médecine ciblée. Les "biobots" en sont peut-être de meilleurs. En effet, composés des propres cellules d'une personne, ils disposeraient de la bio-compatibilité parfaite.

 

 

Le résultat obtenu par les chercheurs américains est aussi l'occasion de quelques remarques sur la place de l'intelligence artificielle dans la révolution technologique. 
Intelligence artificielle et humaine 

Cette étude nous montre ce qu'est concrètement l'intelligence artificielle. Dans le fond, ce que nous nommons intelligence artificielle est un ensemble d'outils informatiques qui s'auto-programment. Cette propriété leur confère une grande autonomie et démultiplie les possibilités pour les chercheurs. 

Il n'est pas inutile de redire que l'IA n'est pas autonome. La seule véritable intelligence reste bien celle, très humaine, des chercheurs qui ont conçu et conduit cette étude. 

La force du vivant

Les ressources naturelles du patrimoine génétique des organismes vivants sont surprenantes. En effet, si l'algorithme a défini l'agencement des cellules, c'est ensuite l'expression spontanée du patrimoine génétique qui donne les 4 actions décrites par les auteurs. Cette étude nous emmène ainsi au plus profond des fondements du vivant. En dirigeant la croissance cellulaire dans la direction qu'ils avaient déterminées au préalable, les chercheurs ont crée une forme de vie artificielle. Il ne faut cependant pas extrapoler. Elle n'appartient ni au monde végétal, ni au monde animal. Comme l'écrivent les chercheurs, ce sont des machines faites de briques biologiques au lieu de matériaux synthétiques. Pour eux, et c'est leur postulat de départ, le vivant est bien meilleur pour fabriquer les machines de la médecine miniaturisée du futur. 
Quelques remarques sur l'éthique 

C'est ici l'occasion de quelques remarques sur la technologie et l'éthique. La technologie est le Janus du XXIe siècle. Selon l'usage qui en est fait, elle peut donner le meilleur ou le pire. As-t-on créé une forme de vie artificielle qui, demain pourrait s'autonomiser, nous échapper et nous asservir? La simple lecture de l'article scientifique nous montre que ce questionnement n'a aucun sens, aucun lien avec la réalité scientifique.

C'est pourtant bien une question de société fondamentale de savoir ce qu'on fait de l'innovation, dans quel but et selon quelles méthodes. J'observe que, malheureusement, le débat éthique est infondé. Non pas l'éthique elle-même, principe essentiel qui doit nous aider à tirer le meilleur parti de la technologie. Mais comment débattre avec bon sens si on parle sans s'informer vraiment? Comment faire avancer la société si on se contente de répercuter les effets d'annonce ? Si on tient pour acquis des résultats de recherche préliminaires dont on a aucune preuve qu'ils puissent se concrétiser dans la vraie vie? Si on  échaffaude des scenari de science-fiction pour parler d'éthique ensuite? 

Je dirais que l'éthique, c'est, en premier lieu, mettre à disposition du public une information technologique francophone, loyale et objective. D'abord, expliquer et faire comprendre pour former les citoyennes et les citoyens du XXIe siècle. 

 

REFERENCES

Lien vers l'article des chercheurs. En anglais. La figure 3 montre des photographie de la "machine biologique".

https://www.pnas.org/content/pnas/117/4/1853.full.pdf

 

Lien vers la page wikipedia consacrée à Xenopus Laevis où vous pourrez voir une photographie de l'animal sur lequel ont été prélevées les cellules souches

https://fr.wikipedia.org/wiki/Xenopus_laevis

 

Liens vers les articles du blog consacrés aux micro-robots circulants:

MICRO-ROBOTS CIRCULANTS: UN TOURNANT POUR LA MEDECINE? PREMIERE PARTIE 

 

LES MICRO-ROBOTS CIRCULANTS VONT-ILS OUVRIR UNE NOUVELLE PAGE DE L'HISTOIRE DE LA MEDECINE?

 

 

 

 

 


26/02/2020
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Premières interfaces entre cerveau humain et animal : les "rats cyborgs"

A intervalles réguliers, l’interface humain-machine défraie la chronique. Ou, pour employer une expression plus actuelle, elle fait le « buzz ». Les dénominations pour la qualifier sont diverses. On parle volontiers de « contrôle par la pensée » ou de « connection du cerveau humain à la machine ». 

Les scientifiques eux-mêmes ne rechignent pas à user d’images de science fiction pour populariser leurs travaux. Ainsi, l'étude  présentée ci-dessous. « Contrôle humain de rats-cyborgs », tel est le titre de l’article publié dans la revue Nature par une équipe de chercheurs de l’université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine. Ils ont réussi un indiscutable exploit scientifique :interposer une interface cerveau-machine entre un rat de laboratoire et un humain pour constituer une interface cerveau-cerveau.

Que l'on se rassure, les « cyborgs » sont encore loins. Mais ce sujet de recherche, au carrefour des neurosciences et de l’informatique, n'en demeure pas moins passionnant et mérite toute notre attention. Ne serait-ce que pour en avoir une vision exacte et couper court aux fantasmes…

 

DESCRIPTION GENERALE ET OBJECTIF DE L'EXPERIENCE SCIENTIFIQUE

L’objectif des chercheurs était de constituer une interface cerveau-cerveau sans fil entre un humain et un rat de laboratoire et de faire contrôler les déplacements du rat  par la volonté humaine.

Il fallait donc fabriquer un montage technologique capable de surmonter la réactivité de l’être vivant qu’est le rat. Ceci a été obtenu par un système en 2 parties qui, reliées entre elles, composent l’interface cerveau-cerveau : une interface cerveau humain/machine et le "rat-cyborg". 

 

Interface cerveau humain-machine

Les chercheurs ont utilisé le casque de la société américaine Emotiv. Cet appareil -par ailleurs accessible au grand public- permet de « piloter des objets connectés par la pensée », un ordinateur par exemple.  Sa technologie est basée sur le recueil de l’électro-encéphalogramme (abrégé par EEG dans le langage médical). L’opérateur imagine une consigne (par exemple: tourner à droite ). Le signal EEG correspondant est capté par le casque puis un traitement informatique le transforme en consigne qui est envoyée à l’objet connecté. 

Dans le protocole de l’expérience, les instructions « aller à droite, aller à gauche », devaient partir du mouvement imaginé par l'opérateur. C’est l’électro-encéphalogramme de cette intention de mouvement qui était ensuite transformé en consigne. Pour «aller en avant », le point de départ était différent puisque c’était l’EEG du clignement de l’oeil qui était utilisé. 

Ces modalités ont été choisies par les concepteurs de l'étude car elles permettaient de résoudre plusieurs problèmes techniques essentiels, dont celui de la rapidité du circuit d'information. Rappelons que le rat est un être vivant autonome qui agit par lui même. Il faut, en quelque sorte, prendre son cerveau de vitesse. 

L’enregistrement EEG était ensuite envoyé à un ordinateur par Bluetooth. Il était alors transformé en stimulation électrique par un traitement informatique, elle-même envoyée au cerveau de rat. 

Toute cette opération a bien entendu nécessité un entraînement de la part de l’opérateur pour que le signal EEG produit soit reconnaissable et exploitable par le programme informatique, sans quoi il n'aurait pu être transformé en stimulation électrique. 

 

Qu'est-ce qu'un électro-encéphalogramme (EEG)? 

Le cerveau produit des ondes électriques qui correspondent à l'activité des cellules qui le composent: les neurones. Ces ondes existent en permanence, que ce soit pendant le sommeil ou en éveil. Il est possible de les enregistrer, c'est l'électro-encéphalogramme. Cet enregistrement est un examen médical courant très utilisé en neurologie et en médecine du sommeil.

Il existe plusieurs façons de le recueillir. La plus répandue est l'EEG dit de surface. Des électrodes sont placées à la surface du crâne. Le signal vient du cerveau et doit traverser la boîte crânienne pour atteindre l'électrode d'enregistrement. C'est cette méthode qui est employée dans le casque Emotiv qui a servi à l'expérience des chercheurs de Hangzhou. 

 

Le rat cyborg

Les chercheurs ont implanté des électrodes dans le cerveau des rats. Leur rôle était de délivrer à l’animal les instructions de mouvement sous forme de stimulations électriques. Celles-ci étaient délivrées par un dispositif bluetooth placé sur le dos du rat. Lui-même recevait le signal envoyé par bluetooth par les opérateurs.

Comme les opérateurs humains, les rats devaient être entrainés et apprendre à faire correspondre le stimulus électrique reçu avec le comportement moteur souhaité par les chercheurs. 

 

Relation entre l'interface humain-machine et le rat-cyborg

C'est un programme informatique spécialement composé par les chercheurs qui établissait le lien entre les 2 parties de l’interface cerveau-cerveau. Il accomplissait 3 actions:

-la première, recueillir les données d’EEG brutes en provenance du casque Emotiv

-la seconde, générer, à partir de ces données brutes, les instructions de mouvement destinées au rat, en se basant sur des modèles établis dans les phases préparatoires de l'étude

-la troisième, envoyer les instructions au capteur bluetooth placé sur le dos du rat

 

Expériences réalisées

2 expériences ont été réalisées.

Dans la première, les rats ont été déplacés dans un labyrinthe en forme d’étoile à 8 branches. L'animal était placé à l’extrémité de l’une des branches. L’expérience consistait à le faire avancer vers le centre de l'étoile et à le faire tourner vers la branche voisine. 

La seconde a consisté à faire évoluer le rat dans un labyrinthe complexe avec escaliers et petits couloirs. 

Toutes ces tâches ont été très bien réussies. Ainsi, le taux de réussite dans le labyrinthe complexe était de 90 % en moyenne. 

 

CONCLUSION DES CHERCHEURS

Les chercheurs concluent que leur étude a montré qu’il était possible de fabriquer un « chemin d’information » entre un cerveau humain et un cerveau de rat. Ils soulignent un résultat essentiel de leur expérience: avoir réussi à contrôler le comportement d’un être vivant doté de conscience et de spontanéité. 

 

 

COMMENTAIRES DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

L'association de l'informatique et des neurosciences est l'un des champs les plus prometteurs de la révolution technologique. Les interfaces cerveau-machine sont très attendues en médecine du handicap et des maladies neuro-dégénératives. Elles pourraient aider à restituer des fonctions perdues ou, tout au moins les suppléer efficacement. Il existe déjà, par exemple, des prothèses pilotées "par la pensée". 

 

Mais qu'en est-il de l'interface cerveau-cerveau? Il est très probable que le contrôle de rat "par la pensée" ne trouve jamais d'application pratique. En dehors de la recherche fondamentale, on ne voit pas très bien à quoi cela pourrait servir. Mais cette étude nous apprend beaucoup de choses sur notre évolution technologique actuelle.

Nous avons décrit l'expérience. Le casque ne permet pas un contrôle direct du rat. Pour accéder à un cerveau, il faut implanter à l'intérieur une électrode, procédure qui nécessite une intervention chirurgicale. Il faut ensuite relier cette électrode au casque. Ceci est fait au moyen d'un programme informatique. 

Et c'est précisément dans l'informatique que se situe la véritable innovation. En effet, l'électro-encéphalogramme et la stimulation du cerveau par des électrodes sont de vieilles techniques médicales. Ce n'est pas de ce côté que se produit la rupture. Elle provient des progrès de l'informatique et des moyens de communication sans fil. Nous pouvons maintenant capter un signal EEG, le numériser, c'est-à-dire l'écrire en langage binaire (celui des ordinateurs) et, ainsi, le rendre accessibles aux calculs informatiques pour, en bout de chaîne, le transformer en signal délivré au cerveau de rat.

Tout ceci est devenu possible car les ordinateurs d'aujourd'hui ont acquis une puissance qui leur permet de réaliser des calculs nombreux et complexes en un temps record. En parallèle, les technologies de transmission d'ondes sans fil (wifi, bluetooth) ont progressé au point de les faire voyager à une vitesse qui rattrape celle des influx nerveux. 

Mais le plus surprenant, peut être, est que l'expérience a été faite avec un objet commercialisé, accessible au grand public. Sommes-nous devant les prémices d'une large diffusion dans la société? L'interface cerveau-machine sera-t-elle bientôt aussi naturelle que le smartphone qui semble nous  accompagner depuis toujours alors même qu'il n'existait pas il y a 15 ans? 

 

 

LIENS ET REFERENCES

 

Comment fonctionne le casque Emotiv? Explications en français sur le site LeLabTechno

 

 

Lien vers l'article de Nature que nous avons commenté. En anglais mais vous trouverez un dessin qui vous aidera à comprendre l'expérience

 

 

 

 

Rat guidé dans le labyrinthe. Video réalisée par les chercheurs. 

 

 

 

 

 


24/07/2019
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