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Vers de terre sur fond blanc.
La recherche fait parfois des liens étonnants. Shutterstock

Quel est le rapport entre des vers de terre sur un haut-parleur et une interface homme-machine ? Bienvenue chez les Ig Nobels

Cette année, mon collègue Andrey Pototsky et moi-même avons reçu le prix Ig Nobel de physique pour nos travaux expérimentaux impliquant des vers de terre vivants en vibration.

Les prix Ig Nobel sont décernés chaque année pour récompenser des chercheurs dont les travaux ne sont pas seulement stimulants, mais aussi drôles ou inhabituels.

Notre travail fait sourire, mais aussi réfléchir. À première vue, il s’agit de deux chercheurs observant des vers de terre qui se tortillent sur un haut-parleur – mais pourquoi des chercheurs en physique et en mathématiques appliquées font-ils des choses pareilles ?

Et bien, c’est parce que nous explorons le potentiel d’une nouvelle approche pour interfacer cerveau et machines, grâce à des ondes sonores un peu spéciales. Venez, je vous emmène au laboratoire.

Qu’avons-nous fait ?

Tout d’abord, nous avons mis des vers de terre dans de l’alcool pour détendre leurs muscles. Ensuite, nous les avons fait vibrer sur un haut-parleur et avons utilisé une lumière laser pour observer les ondulations à la surface de chaque ver.

Ces ondes sont bien connues dans les liquides sous le nom d’« instabilités de Faraday ». Dans la nature, les grenouilles peuvent en créer à la surface de l’eau pour attirer des congénères, et on peut également les observer sur une goutte de liquide soumise à des vibrations, lorsque les vibrations deviennent suffisamment intenses pour rendre la surface du liquide instable.

Comme les vers de terre sont principalement constitués d’eau, on s’attendait à ce qu’un ver sous sédatif vibre de la même manière qu’une goutte d’eau.

Lorsque nous avons allumé le haut-parleur, le ver s’est déplacé en entier de haut en bas. Mais lorsque nous avons augmenté le volume pour dépasser le « niveau d’instabilité de Faraday », des ondes de Faraday sont apparues à la surface des vers – comme nous nous y attendions.

Il est important de noter que même si ces ondulations non linéaires sont « instables », cela ne signifie pas qu’elles se comportent de manière totalement chaotique. En fait, les ondes de Faraday peuvent, après de nombreux essais et erreurs, être « programmées » pour se comporter d’une certaine manière.

Mais pourquoi faire vibrer des vers de terre ?

La réponse est à chercher du côté des neurosciences. En effet, on sait déjà que les neurones communiquent grâce à des impulsions nerveuses électrochimiques, c’est-à-dire impliquant des mouvements d’ions se déplaçant le long des fibres nerveuses, dites « axones ». Des recherches antérieures ont émis l’hypothèse que ces influx nerveux ne se déplacent pas seulement sous forme de signaux électrochimiques, mais aussi sous forme d’ondes sonores. Nous pensons également que c’est le cas.

En effet, les vibrations sonores peuvent se déplacer à travers la peau, les os et les tissus humains sans causer de dommages. C’est ainsi que l’on procède à l’imagerie médicale par ultrasons. L’oreille humaine entend des fréquences comprises entre 20 Hz (fréquence la plus grave) et 20 000 Hz (fréquence la plus aiguë). Par rapport à l’audition humaine, nous qualifions d’ultrasons tout ce qui est au-delà de 20 000 Hz. Mais les propriétés physiques des ondes que l’on perçoit et celles qui sont inaudibles sont très similaires.


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Plus précisément, les ondes sonores peuvent former des « solitons ». Les solitons sont des ondes qui se déplacent sur de longues distances et se croisent sans se déformer. Par exemple, de l’eau dans un canal peut se déplacer sous forme de solitons, comme le montre cette vidéo.

Un « soliton » se propage dans un canal rempli d’eau.

Les chercheurs savent que les solitons et les instabilités de Faraday possèdent des points communs  : les deux apparaissent quand certaines « conditions de résonance » sont satisfaites – c’est pourquoi nous pensons que sous les bonnes conditions expérimentales, nous pouvons générer des solitons dans des vers de terre en vibration.

Mais il est très difficile de détecter les solitons dans les nerfs humains, parce que notre système nerveux est très complexe (et pour des raisons et protocoles éthiques, bien sûr). Les vers de terre sont un modèle efficace  : leurs fibres nerveuses sont grosses et assez simples et elles s’étendent le long du vers. Ceci permet d’accéder aux influx nerveux en faisant vibrer le vers entier.

Les vibrations des ultrasons peuvent-elles transmettre des signaux nerveux ?

Si des recherches futures confirment que certaines impulsions nerveuses se déplacent effectivement à travers les fibres nerveuses sous forme de solitons sonores, notre découverte des ondes de Faraday dans les vers de terre en vibration deviendra beaucoup plus importante.

En effet, cela pourrait indiquer la possibilité de produire et de modifier les impulsions nerveuses dans les tissus du cerveau, en propageant des ondes ultrasonores à différentes fréquences qui pourraient peut-être déclencher des ondes de Faraday au niveau des neurones. Nous pensons que celles-ci pourraient alors interagir avec les impulsions nerveuses « naturelles » du cerveau.

Si les impulsions nerveuses voyagent effectivement dans le cerveau sous forme de solitons, elles conserveraient leur forme tout au long du processus, ce qui garantirait que le signal transmis reste cohérent jusqu’à ce qu’il soit traité par le cerveau.

Des vibrations peuvent être créées à l’aide d’un smartphone par exemple. Nous pensons que les ondes de Faraday provoquées par ces vibrations pourraient alors interagir avec les impulsions nerveuses de type « soliton », et faire l’interface entre cerveau et machine. Ivan Maksymov, Author provided

Le potentiel des interfaces cerveau-machine

De nombreuses tentatives ont été faites pour relier le cerveau humain aux ordinateurs. Un nombre croissant d’entreprises de haute technologie, dont l’implant Neuralink d’Elon Musk, prévoient d’implanter des électrodes à aiguilles dans le cerveau humain pour établir un contact électrique.

Cela permettrait la transmission de connaissances – par exemple une langue étrangère – d’un ordinateur directement au cerveau d’une personne en quelques minutes seulement. Bien sûr, nous sommes encore loin de savoir comment faire quelque chose d’aussi complexe.

La transmission quasi instantanée de connaissances programmées au cerveau humain était un thème du film de science-fiction « The Matrix » de 1999.

Toutefois, cette approche électrique est très invasive et présente des risques sanitaires importants, tels que l’inflammation du tissu cérébral ou les lésions cérébrales.

Nous pensons que nos résultats, dans l’attente de recherches plus approfondies, pourraient contribuer à créer un lien plus sûr et solide entre le cerveau humain et les ordinateurs – un lien qui fonctionne sans électrodes, et potentiellement avec un débit élevé.

Que se passe-t-il maintenant ?

À l’heure actuelle, nous ne prétendons pas avoir de solides preuves scientifiques que les ondes de Faraday peuvent interagir avec les impulsions nerveuses naturelles des vers de terre. Nos modèles suggèrent par contre qu’il devrait y avoir une forte interaction entre les deux ondes lorsque la fréquence des oscillations des ondes de Faraday coïncide avec la fréquence des impulsions nerveuses – si celles-ci se propagent bien sous forme de solitons.

Aucun modèle actuel ne peut prédire exactement quelles fréquences sont nécessaires pour permettre cette interaction. Il faudrait procéder à de très nombreux essais et erreurs pour le découvrir éventuellement.

Jusqu’à présent, nous avons présenté nos idées à plusieurs communautés de chercheurs en neurobiologie et, dans l’ensemble, nous avons reçu des réactions positives. Nous espérons que notre travail pourra peut-être être utile à des entreprises high-tech, ainsi qu’à nos collègues qui étudient des questions similaires.

Mais pour l’instant, nous continuons à étudier des vers sur des haut-parleurs.

This article was originally published in English

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