Abstract: Project HERMIN (Haptic Exploration and Reflex Motor control In a Neuroprosthesis) aims to develop shared control strategies between a robotic prosthesis and its user. We will investigate the impact of augmenting a bidirectional neuroprosthesis with autonomous motor routines that implement safety-related reflexes and perform touch exploration for obstacle detection and avoidance. We will implement such routines in our 4 degrees-of-freedom, miniature mouse forelimb neuroprosthesis, in addition to the volitional movements controlled by chronic recordings of the firing rate of neurons in the motor cortex. The neuroprosthesis will provide real-time feedback to the mouse using spatio-temporally patterned optogenetic neuronal activation tools that are unique to the mouse model. We hypothesise that, despite the mismatch between neuronal commands and the effective movements during the execution of the autonomous motor routines, a rich touch and nociceptive-like feedback to the mouse cortex will ensure that (1) prosthesis control and embodiment is preserved during reflex action, and that (2) the enhanced tactile exploration provided by autonomous haptic routines will augment the prosthesis embodiment and/or performance during behavioural tests. This interdisciplinary project requires the complementary expertise of the 3 partners in robotics modelling and control, brain-machine interfacing and animal behaviour. The development of shared control strategies between robot and user constitutes a pre-clinical trial of robotic prostheses with brain-machine interface for human users, and might also be translated in the non invasive context of physical human-robot interaction with exoskeletons.
Résumé : Le projet HERMIN vise à développer des stratégies de contrôle partagé entre une prothèse robotisée et son utilisateur, en particulier en explorant l’impact de l’ajout à une neuroprothèse bidirectionnelle de routines motrices autonomes de type mouvements réflexes liés à la sécurité, et mouvements d’exploration haptique pour aide à la détection et évitement d’obstacles. Nous implanterons la génération de tels mouvements stéréotypés dans notre neuroprothèse miniature à 4 degrés de liberté de membre antérieur de souris, en superposition avec les mouvements volontaires pilotés par le taux de décharges neuronales dans le cortex moteur. La neuroprothèse permettra de fournir un retour sensoriel en temps réel à la souris en utilisant des stimulations optogénétiques des neurones du cortex somatosensoriel primaire structurées spatialement et temporellement. Nous faisons l’hypothèse que, malgré l’écart entre les commandes neuronales et les mouvements effectifs obtenus lors de l’exécution des routines motrices autonomes, un retour tactile et nociceptif riche vers le cortex de la souris garantira que (1) le contrôle et l’appropriation de la prothèse seront préservés pendant l’action réflexe, et que (2) l’exploration tactile enrichie fournie par les routines haptiques autonomes améliorera l’appropriation et/ou les performances de la prothèse pendant les tests comportementaux. Ce projet interdisciplinaire s’appuie sur l’expertise complémentaire des trois partenaires en modélisation et commande de robots, interfaces cerveau-machine et comportement animal. Le développement de stratégies de contrôle partagé entre robot et utilisateur présente un intérêt pré-clinique pour les prothèses robotisées avec interface cerveau-machine pour utilisateurs humains, ainsi que dans le cadre non invasif d’interaction physique humain-robot avec exosquelettes.
Cette recherche est financée en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-23-CE33-0006.
