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Tiago H. Falk et les interfaces humain-ordinateur

En route vers l'ère où la pensée contrôlera l'informatique
19 janvier 2012 // par Joël Leblanc

Changer les chaînes de la télévision sans se lever et sans télécommande, confortablement assis dans son salon, juste en y pensant. Faire de même pour régler la température et ajuster l’éclairage de la pièce. Éteindre le four sans lever le petit doigt. Science-fiction? Plus pour longtemps. Entre les murs du Laboratoire d’analyse et d’amélioration des signaux multimédia/multimodaux (MuSAE Lab), Tiago Falk, professeur au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, utilise la méthode NIRS (Near-Infrared Spectroscopy ou Spectroscopie proche infrarouge) pour que, dans un avenir pas trop lointain, de jeunes malades incapables de s’exprimer par la parole puissent enfin communiquer avec leurs proches.

Spécialiste des communications multimédia, Tiago Falk a fait ses premières armes en travaillant sur la reconnaissance vocale intelligente. « Mes projets consistaient à concevoir des appareils pour les réseaux téléphoniques, rappelle-t-il. Ces appareils analysent les conversations pour mesurer la qualité sonore afin que le système achemine une conversation par une autre partie du réseau si le son devient mauvais. » Une des principales difficultés était d’ordre éthique : le système devait se révéler assez sensible pour juger de la qualité sans toutefois « écouter » la conversation. Un défi relevé grâce à des algorithmes très sensibles.

Tout se passe dans la tête
Ses premières réalisations ayant servi à écouter sans comprendre, Tiago Falk a décidé de poursuivre ses recherches en sens inverse, d’une certaine façon, quand, à la faveur d’un travail dans un hôpital de Toronto, il est entré en relation avec des enfants malades incapables de communiquer. Le jeune professeur a voulu comprendre en écoutant, sans l’aide de la parole. « Certains jeunes, comme ceux souffrant du syndrome d’enfermement, sont très sévèrement limités physiquement. Leur cerveau est parfaitement fonctionnel, mais il est enfermé dans un corps dysfonctionnel qui les empêche d’exprimer leurs pensées et leurs désirs », précise Tiago Falk. Il s’est donc tourné vers l’informatique pour aider ces jeunes, mais avec eux, pas question de souris ou de clavier; il fallait une interface directe entre le cerveau et l’ordinateur.

Dans un premier temps, Tiago Falk a procédé avec des électroencéphalogrammes (EEG) pour trouver comment la pensée pourrait être décodée par un ordinateur. Quand notre cerveau s’active, lorsqu’il réfléchit et génère des pensées, la petite activité électrique entre les neurones peut être enregistrée. Ce sont les fameuses ondes cérébrales. Selon les neurones concernés, les ondes auront plus ou moins d’ampleur et apparaîtront à des endroits précis du cerveau. En disposant des électrodes sur la tête du patient, on peut détecter et situer les ondes et ainsi révéler des indices sur ce qui se passe dans sa tête. Les essais avec les électroencéphalogrammes ont été concluants, car « en demandant au patient de penser fortement à quelque chose, comme bouger un bras, on pouvait détecter cette pensée dans sa tête et l’utiliser pour activer une fonction sur l’ordinateur, par exemple déplacer le curseur », raconte Tiago Falk. Mais produire des pensées claires et soudaines demande beaucoup d’entraînement de la part du patient. Un tel exercice représente un défi important. Pas facile de se concentrer, comme le souligne  le professeur, puisque « si vous voulez que quelqu’un pense à quelque chose, demandez-lui de ne pas y penser! ».

La spectroscopie proche infrarouge (NIRS)
Tiago Falk a ensuite décidé de mesurer les variations, à la hausse ou à la baisse, de l’afflux sanguin dans le cerveau, et ce, grâce à la NIRS. Il faut savoir que lorsque des neurones s’activent, ils consomment momentanément plus d’énergie. On a besoin de plus de nutriments à un endroit bien précis, et le flot sanguin augmente en conséquence pour combler la demande. Avec la NIRS, le scientifique appose sur la tête deux fibres optiques. Véhiculée par la première des deux fibres, la lumière infrarouge pénètre la peau, l’os du crâne et le cortex à la surface du cerveau. Cet « éclairage » dans la boîte crânienne est réfléchi par le cerveau puis perçu par la deuxième fibre optique. C’est l’augmentation localisée de l’afflux sanguin, se traduisant par une baisse de luminosité, que le chercheur mesure avec cette technologie polyvalente qui fonctionne très bien avec les enfants. Pour l’heure, la NIRS doit tenir compte d’un délai de 5 à 6 secondes entre l’activation des neurones et l’augmentation du flux sanguin. Par conséquent, elle ne mesure que des informations binaires de type 0 et 1 à chaque capteur (activité neuronale ou pas), tandis que la réelle lecture du cerveau nécessiterait une fine résolution de l’activité neuronale, pratiquement neurone par neurone, « mais personne ne veut se faire introduire des électrodes dans le cerveau ou porter un casque de 512 capteurs », reconnaît Tiago Falk. D’ici là, il faudra donc trouver le compromis du plus petit nombre de capteurs qui nous livrent le plus d’informations. C’est pourquoi, en compagnie de collègues, il poursuit l’objectif suivant : combiner les électroencéphalogrammes à la méthode NIRS afin d’obtenir des résultats encore plus probants. En marge de ces travaux réalisés au sein du MuSAE Lab, Tiago Falk cherche aussi à obtenir une compréhension plus fine de la manière dont le cerveau traite les stimuli audiovisuels dans le but d’améliorer les interfaces de communication actuelles.

Pour l’instant, les technologies sur lesquelles travaillent Tiago Falk trouvent déjà des débouchés comme gadgets pour contrôler le mouvement d’objets sur une table de jeu, par exemple. « Toutefois ce sera bientôt très utile, promet Tiago Falk, pour permettre à des enfants qui n’ont jamais communiquer d’enfin dire “ bonjour ” à  leurs parents à partir d’un ordinateur. » ♦

 

PHOTO // Tiago Falk pose devant quelques-uns des équipements utiles à ses recherches


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Contrat Creative Commons
« Tiago H. Falk et les interfaces humain-ordinateur : Des ordinateurs contrôlés par la pensée pour communiquer avec autrui : une rêve qui deviendra un jour réalité » de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) est mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada. Les autorisations au-delà du champ de cette licence peuvent être obtenues en contactant la rédaction en chef. © Institut national de la recherche scientifique, 2012 / Tous droits réservés / Photo © Christian Fleury

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