Donner de la voix à ceux qui n’en ont pas

En mêlant ses capacités en ingénierie et ses connaissances dans le domaine des neurosciences, Silvia Marchesotti développe des interfaces cerveau-machine susceptibles de venir en aide aux personnes aphasiques. Elle vient de recevoir un Starting Grant du FNS pour poursuivre ses recherches.

À l’instar de Stromae, Silvia Marchesotti s’efforce de redonner la parole à ceux qui n’en ont pas. Mais si l’artiste belge s’y emploie en mettant en chanson la trajectoire invisible des chauffeurs de camion, des marins-pêcheurs et autres insomniaques de profession dans l’imparable Santé, la chercheuse, maître-assistante au Département des neurosciences cliniques de la Faculté de médecine, mobilise de son côté ses compétences en ingénierie et en neurosciences afin de décoder le langage interne de patients qui ne parviennent plus à s’exprimer pour cause d’aphasie via le développement d’une interface cerveau-machine. Cette démarche lui a valu de décrocher un subside FNS Starting Grant qui devrait lui permettre de poursuivre sereinement ses travaux pour la période 2026-2031. 

«J’ai été fascinée assez tôt par tout ce qui touche à l’ingénierie et aux neurosciences, annonce la jeune femme. À l’époque du collège, je dévorais les ouvrages d’Oliver Sacks (L’Homme qui prenait sa femme pour un chapeau, L’Éveil) ou de Vilayanur Subramanian Ramachandran (surnommé le 'Marco Polo des neurosciences', pour ses travaux sur les membres fantômes, notamment), parce que j’avais profondément envie de comprendre comment le cerveau fonctionne.»

Cet intérêt précoce n’est pas totalement étranger au milieu familial dans lequel Silvia Marchesotti a grandi. Originaire de Novi Ligure, une ville de 30 000 habitants située dans la plaine du Pô, elle est une enfant des classes moyennes dont la mère est employée au bureau de poste local et dont le père travaille dans une usine fabriquant des pneus. À ses heures perdues, ce dernier bricole des ordinateurs défectueux dans l’atelier qu’il s’est installé dans la cave de la maison. «Petite, j’avais l’habitude d’y passer du temps, indique la chercheuse. Peu à peu, je me suis familiarisée avec les transistors et les différents composants que l’on peut trouver dans un ordinateur. Cela a sans doute eu une certaine influence sur les choix que j’ai faits par la suite, d’autant que mes parents, qui n’avaient pas de formation universitaire, nous ont transmis dès notre plus jeune âge, à mon grand frère et à moi, l’idée que les études constituaient une chance de s’élever socialement et d’accéder à une vie meilleure.»

Pour Silvia Marchesotti, les choses se précisent lors d’une journée portes ouvertes organisée par l’Université de Gênes. Parmi les activités proposées ce jour-là figure l’intervention du professeur Vincenzo Tagliasco, pionnier en robotique humanoïde et dans les études sur la conscience artificielle, en mission de recrutement. 

«Originaire d’un milieu rural, il nous a raconté que, petit, il voyait l’ingénieur comme quelqu’un capable de résoudre tous les problèmes, se remémore Silvia Marchesotti. Il imaginait alors que lorsque la flamme qui sort des cheminées de la raffinerie qui se trouve sur le chemin de Gênes venait à s’éteindre, un ingénieur accourait, armé d’un arc et d’une flèche enflammée, pour la raviver. Je ne sais pas vraiment pourquoi, mais cette image m’a beaucoup plu et elle a probablement contribué à me convaincre définitivement de m’engager dans la filière qu’il nous proposait.» 

Entre le brouillard qui règne en maître l’hiver et les moustiques qui débarquent en rangs serrés lorsqu’arrivent les beaux jours, c’est sans grand regret que Silvia Marchesotti boucle ses valises pour se plonger dans l’ébullition un brin décadente de la ville ligure surnommée «La Superbe».
Inscrite en neuro-ingénierie, elle enchaîne un bachelor et un master entrecoupés par un séjour Erasmus d’une année en Finlande.

«Je voulais aller dans le pays qui soit le plus différent possible de l’Italie que je pouvais trouver en Europe et je n’ai pas été déçue», témoigne-t-elle. Entre soirées estudiantines façon L’Auberge espagnole et escapades dans la nature, elle parfait son niveau d’anglais et acquiert quelques rudiments de finnois.

Ses envies d’ailleurs ressurgissent au moment de s’engager dans son projet de master, qu’elle effectue à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), au sein du laboratoire de psychophysique. Sous la houlette du professeur Michael Herzog, Silvia Marchesotti se familiarise avec l’utilisation de divers stimuli (notamment visuels) dans l’étude du fonctionnement du cerveau. 

Cerveau-machine
Sous la direction cette fois du professeur Olaf Blanke, directeur du Centre de neuroprothèses de l’EPFL et titulaire de la chaire Bertarelli en neuroprothèses cognitives, ainsi que du professeur de robotique Hannes Bleuler, elle enchaîne avec une thèse qui lui permet d’entrer de plain-pied dans ce qui constitue aujourd’hui encore son sujet de prédilection: l’interface cerveau-machine.

«L’idée était d’analyser les processus cérébraux qui sont en jeu lorsqu’on demande à une personne de contrôler une interface cerveau-machine en imaginant effectuer un mouvement comme bouger la main droite ou la main gauche, précise la chercheuse. Qu’est-ce qu’on ressent quand on contrôle une telle interface? Est-ce que l’on peut éprouver une certaine agentivité, soit le sentiment d’être à l’origine de son action, lorsqu’on ne fait qu’imaginer le mouvement?»

Pour tester ces différentes hypothèses, Silvia Marchesotti combine deux approches pour l’enregistrement de l’activité cérébrale. La première consiste à enregistrer l’activité neurale de certaines zones du cerveau au moyen d’un électroencéphalogramme (EEG) placé sur le cuir chevelu pour contrôler l’interface cerveau-machine. En même temps, la deuxième vise à étudier l’activité cérébrale à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).

À partir des données ainsi obtenues, Silvia Marchesotti a pu montrer que tout le monde ne dispose pas du même sens de l’agentivité et que certaines personnes – comme la chercheuse elle-même – étaient tout à fait incapables de contrôler l’interface conçue pour mesurer l’ampleur du signal émis par le cerveau. L’expérience a également permis d’étudier quelles zones du cerveau sont impliquées dans le sens de l’agentivité, en altérant de manière artificielle le retour visuel de l’interface afin de tromper le candidat ou la candidate testée et réduire à néant leur sens de l’agentivité.

Pas totalement convaincue par la perspective de poursuivre une carrière académique une fois son doctorat en poche, Silvia Marchesotti rejoint l’Institut de la vision de Paris, où elle occupe neuf mois durant un poste d’ingénieure de recherche. 

Entre deux mondes
«Je n’ai jamais vraiment trouvé ma place dans cet univers qui était une sorte d’entre-deux entre le monde de la recherche et celui de l’entreprise, confie-t-elle. Lorsqu’Olaf Blanke m’a fait suivre une annonce pour un poste dans le laboratoire d’Anne-Lise Giraud à l’UNIGE, j’ai sauté sur l’occasion.»

Nous sommes en 2017 et sa nouvelle mentore (aujourd’hui directrice exécutive de l’Institut hospitalo-universitaire reConnect et de l’Institut de l’audition à Paris) est alors en train de poser les bases du Pôle de recherche national Evolving Language, dont elle assumera la codirection entre 2018 et 2022. 

Une aubaine pour Silvia Marchesotti qui passe rapidement du statut de chercheuse postdoctorante à celui de maître-assistante, faisant désormais valoir ses compétences en matière de stimulation cérébrale auprès des personnes atteintes de dyslexie. 

«Au cours de leur développement cérébral, soit pendant leur scolarité et l’apprentissage de la lecture, les enfants dyslexiques ont des difficultés à associer les sons aux lettres (la correspondance graphème-phonème), fondamentale pour lire, expose Silvia Marchesotti. Nous avons pu montrer que ce déficit phonologique (la capacité de percevoir les sons) est associé à une réduction dans les schémas rythmiques de l’activité neurale, en particulier les oscillations à une fréquence de 30 Hz, dites 'gamma', dans le cortex auditif gauche.»

Pour tenter de remédier au problème, Anne-Lise Giraud a l’idée d’utiliser une technique de stimulation transcrânienne par courant alternatif – utilisée en médecine pour traiter certaines maladies comme la dépression – afin de stimuler le cortex auditif gauche d’une quinzaine de patients dyslexiques adultes. Résultat: une amélioration significative, bien que temporaire, des performances de lecture, en particulier chez les personnes disposant de faibles compétences dans ce domaine. 

Dépôt de brevet
Cette belle réussite incite les neuroscientifiques genevoises à pousser l’exercice un peu plus loin en travaillant sur des procédés visant le même but mais sur la base d’une méthode non invasive reposant sur une simple simulation sonore. Une voie prometteuse qui a depuis donné lieu au dépôt d’un brevet, fruit d’une collaboration entre Unitec et l’Institut Pasteur, et qu’il s’agit désormais de valoriser.

En parallèle, Silvia Marchesotti commence à travailler sur le décodage du langage au moyen d’une interface cerveau-machine, d’abord dans l’équipe de la professeure Giraud et ensuite dans celle du professeur Adrian Guggisberg (médecin-chef du Service de neurorééducation des HUG), en utilisant l’EEG non invasif ainsi que l’EEG intracrânien. Cette dernière approche consiste à utiliser des électrodes directement en contact avec le cerveau chez des personnes souffrant d’épilepsie sévère.

«Pour les personnes qui résistent aux traitements pharmacologiques, le dernier recours, c’est d’enlever la partie du cerveau qui est responsable des crises, explique la chercheuse. Afin de déterminer avec précision la région du cerveau qui est à l’origine du foyer épileptique, les cliniciens implantent des électrodes dans le cerveau de leurs patients et attendent le déclenchement des crises. Or, ce laps de temps, qui s’étend généralement sur deux semaines, nous offre l’opportunité de faire nos propres mesures avec une précision bien supérieure à celle des méthodes non invasives.»

Mener de telles investigations suppose toutefois un large déploiement de moyens. Enceinte de son deuxième enfant, Silvia Marchesotti postule donc pour un des prestigieux subsides Starting Grant du FNS. Une manne qui lui permettrait de poursuivre sereinement ses travaux au moins jusqu’en 2031. Et c’est alors qu’elle patiente pour accoucher dans la salle d’attente de la maternité qu’elle apprend que sa candidature est acceptée. 

«Être mère de famille tout en menant une carrière de scientifique est certes un gros défi, commente-t-elle. Mais je crois que ce statut a fait de moi une meilleure chercheuse, tout en me donnant de nouvelles idées.»  

Entre autres choses, Silvia Marchesotti ambitionne ainsi de se pencher sur une autre catégorie de troubles du langage, à savoir l’aphasie. 

À la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC), notamment dans la région gauche du cerveau, certaines personnes peuvent en effet perdre la capacité de s’exprimer mais aussi ne plus arriver à lire ou à écrire. Et si les thérapies comportementales proposées par les logopédistes fonctionnent plutôt bien pour les patients qui ont des troubles légers à modérés, elles ne sont pas d’un grand secours pour les cas les plus sévères.

«Notre objectif est de développer des outils susceptibles d’aider ces gens qui n’arrivent plus du tout à communiquer et qui se trouvent souvent dans une très grande détresse», expose la chercheuse.

Pour ce faire, la piste qu’elle privilégie consiste à utiliser les divers développements effectués jusqu’ici pour tenter de décoder avec la plus grande précision possible l’intention de parler des patients aphasiques. En collaboration avec l’Unité d’épileptologie des HUG, le groupe d’Adrian Guggisberg au Département des neurosciences cliniques de l’UNIGE, l’Institut de l’audition et l’Institut du cerveau (tous deux basés à Paris), Silvia Marchesotti, qui sera basée à l’HEPIA dès le mois de septembre prochain afin de pouvoir s’appuyer sur l’expertise de cette institution en matière d’ingénierie appliquée, explorera deux axes principaux.

Le premier vise à faire utiliser à des patients devenus aphasiques à la suite d’un AVC les interfaces cerveau-machine mises au point par Silvia Marchesotti et son équipe en vue de faciliter leur réhabilitation. 

«Les personnes recrutées pour l’étude viendront tous les jours au laboratoire durant une période de cinq jours, précise la chercheuse. Équipées d’un EEG non invasif, elles seront amenées à exécuter diverses tâches consistant à imaginer la prononciation de différents mots. Avec un tel dispositif, nous ne parviendrons pas à déterminer si elles veulent dire une chose plutôt qu’une autre, mais le fait de leur proposer des outils leur permettant d’obtenir un retour sur leurs performances devrait les aider à remobiliser les réseaux cérébraux impliqués dans le langage qui ont été affectés par la maladie. Ce n’est pas gagné d’avance, mais on a déjà pu montrer que ce type de compétence s’améliore avec l’entraînement et que des progrès significatifs peuvent apparaître au bout de cinq jours seulement.» 

Le second volet du projet ambitionne plus spécifiquement de décoder différentes unités du langage (syllabes, mots, phrases) dans la parole imaginée à l’aide de l’intelligence artificielle. Cette partie sera menée chez des patients avec épilepsie dotés d’électrodes intracrâniennes uniques permettant l’enregistrement de neurones individuels.  

«L’objectif à terme serait de parvenir à un système de vocalisation fonctionnel en utilisant ces informations qui sont traitées en amont du système moteur, précise Silvia Marchesotti. Mais avant d’en arriver là, la route est encore longue.» 

Vincent Monnet