Des neuroprothèses avec des signaux que le cerveau comprend
Depuis quelques années, il existe des prothèses connectées au système nerveux. Des chercheurs de l'ETH Zurich suggèrent désormais que ces neuroprothèses fonctionnent mieux lorsqu'elles utilisent des signaux inspirés de la nature.
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En bref
- Les neuroprothèses sont des dispositifs électromécaniques reliés au système nerveux. Elles ne peuvent pas encore produire de sensation naturelle, mais entra?nent souvent des sensations désagréables, comme des picotements sur la peau.
- Cela pourrait être d? au fait qu'ils surstimulent le système nerveux. Des chercheurs de l'ETH Zurich, en collaboration avec des collègues d'Allemagne, de Serbie et de Russie, proposent que les neuroprothèses émettent des signaux biomimétiques afin d'être mieux comprises par le cerveau.
- Les nouvelles connaissances sont pertinentes pour les prothèses de bras et de jambes, ainsi que pour toute une série d'autres instruments et appareils - comme les implants de colonne vertébrale ou les électrodes pour la stimulation cérébrale.
Il y a quelques années, l'équipe de recherche de Stanisa Raspopovic du Neuroengineering Lab de l'ETH Zurich a fait sensation dans le monde entier lorsque les chercheurs ont annoncé que leurs prothèses de jambe permettaient pour la première fois aux amputés de sentir la partie du corps qui les remplace. En effet, contrairement aux prothèses de jambes actuellement disponibles qui soutiennent simplement les personnes amputées, les prothèses des chercheurs de l'ETH étaient reliées au nerf sciatique du moignon de la cuisse par des électrodes implantées.
Les neuroprothèses ont ainsi pu transmettre des informations au cerveau, par exemple sur la pression exercée sur la plante du pied de la prothèse, qui varie constamment pendant la marche. Cela a permis aux sujets de faire davantage confiance à la partie du corps de remplacement - et de marcher plus rapidement sur un sol difficile. "Contrairement à notre prothèse de jambe expérimentale, les neuroprothèses actuelles ne sont toutefois pas encore en mesure de produire une sensation naturelle. Au lieu de cela, elles provoquent souvent des sensations désagréables, comme des picotements sur la peau", explique Raspopovic.
C'est probablement aussi parce que les neuroprothèses actuelles utilisent des pulsations électriques répétées régulièrement pour stimuler le système nerveux. "Ce n'est pas naturel et inefficace", explique Raspopovic. Comme lui et son équipe le montrent maintenant dans une publication qui vient d'être publiée, en prenant l'exemple de leurs prothèses de jambes, il vaut la peine de miser sur une stimulation biomimétique, c'est-à-dire sur des signaux qui s'inspirent de la nature, pour le développement de la prochaine génération de neuroprothèses.
Modèle simulant l'activité nerveuse dans la plante du pied
Pour pouvoir générer de tels signaux biomimétiques, Natalija Katic, une doctorante du groupe de recherche de Raspopovic, a développé un modèle informatique appelé FootSim. Il s'appuie sur les données de chercheurs canadiens qui ont enregistré l'activité de cellules sensorielles spéciales, appelées mécanorécepteurs, dans la plante des pieds, alors qu'ils touchaient les pieds de sujets sains à différents endroits avec un état-major vibrant.
Le modèle simule le comportement dynamique d'un grand nombre de mécanorécepteurs dans la plante du pied et calcule les signaux nerveux qui se déplacent à la vitesse de l'éclair du pied vers le haut de la jambe en direction du cerveau. Et ce, dès le moment où le pied touche le sol avec le talon, puis où le poids du corps se déroule sur le bord extérieur du pied jusqu'à ce que les orteils soient à nouveau relevés pour le pas suivant. "Ce modèle nous montre comment les cellules sensorielles de la plante des pieds se comportent pendant la marche ou la course, ce qui est impossible à mesurer expérimentalement", explique Katic.
Submersion d'informations dans la moelle épinière
Giacomo Valle, un postdoctorant du groupe de recherche de Raspopovic, a testé avec des collègues d'Allemagne, de Serbie et de Russie dans quelle mesure ces signaux biomimétiques calculés par le modèle correspondaient aux vrais signaux nerveux, dans le cadre d'une expérience avec des chats dont le système nerveux traite les mouvements de la même manière que celui des humains. Les expériences ont eu lieu en 2019 à l'Institut de physiologie Pavlov de Saint-Pétersbourg et ont été menées en conformité avec les directives correspondantes de l'Union européenne.
Les chercheurs ont implanté des électrodes, dont certaines ont été connectées au nerf de la patte et d'autres à la moelle épinière, afin de lire comment les signaux sont transmis dans le système nerveux. Lorsque les chercheurs ont exercé une pression par le bas sur la patte du chat, provoquant ainsi l'activité nerveuse naturelle lors d'un pas de chat, les schémas d'activité enregistrés dans la moelle épinière ressemblaient effectivement aux schémas qui apparaissaient dans la moelle épinière après que les chercheurs aient stimulé le nerf de la jambe avec des signaux biomimétiques.
En revanche, la stimulation rigide traditionnelle du nerf sciatique dans la cuisse des chats a provoqué un schéma nettement différent dans la moelle épinière. "Les méthodes de stimulation habituellement utilisées entra?nent apparemment une surcharge d'informations dans les réseaux neuronaux de la colonne vertébrale", explique Valle. "Cette surcharge pourrait être à l'origine des sensations désagréables ou des paresthésies dont certaines personnes concernées font état lorsqu'elles portent des neuroprothèses", ajoute Raspopovic.
Apprendre le langage du système nerveux
Les chercheurs ont finalement prouvé que la stimulation biomimétique était supérieure à la stimulation rigide dans le cadre d'une étude clinique menée sur des personnes amputées des jambes. Les signaux inspirés de la nature ont donné des résultats nettement meilleurs : Les personnes testées ont ainsi pu monter les escaliers plus rapidement. De plus, ils faisaient moins d'erreurs lorsqu'ils essayaient d'épeler des mots à l'envers en montant les escaliers. "Gr?ce à la neurostimulation biomimétique, les sujets peuvent également se concentrer sur d'autres choses lorsqu'ils marchent. Cela nous montre que ce type de stimulation est traité plus naturellement et sollicite moins le cerveau", explique Raspopovic.
Selon le professeur de l'ETH à l'Institut de robotique et de systèmes intelligents, ces nouvelles connaissances ne sont pas seulement importantes pour les prothèses de jambes, sur lesquelles lui et son équipe travaillent depuis plus de cinq ans. Pour toute une série d'autres instruments et appareils - comme les implants de la colonne vertébrale ou les électrodes pour la stimulation cérébrale - il est également important de s'éloigner de la stimulation répétitive non naturelle utilisée jusqu'à présent et d'utiliser des signaux biomimétiques. "Nous devons apprendre le langage du système nerveux", explique Raspopovic. "Nous pourrons alors communiquer avec le cerveau de manière à ce qu'il nous comprenne bien".
Référence bibliographique
Valle G, Katic Secerovic N, Eggemann D, Gorskii O, Pavlova N, Petrini FM, Cvancara P, Stieglitz T, Musienko P, Bumbasirevic M, Raspopovic S : Biomimetic computer-to-brain communication enhancing naturalistic touch sensations via peripheral nerve stimulation. Communications de la nature, 20 février 2024. doi : page externe10.1038/s41467-024-45190-6