La mobilité de la jambe retrouvée grâce à une interface neurale sans fil innovante

Récemment publiée dans la revue «Nature», l''étude a été effectuée par des scientifiques et des neuro-ingénieurs dans le cadre d''une collaboration internationale menée par l''École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse (coordinatrice des projets WALK AGAIN et E-WALK), avec l''Université Brown, aux États-Unis, l''institut Fraunhofer ICT-IMM, en Allemagne (coordinateur du projet NEUWALK), et Medtronic. Les travaux se fondent sur des technologies mises au point à Brown et testées en collaboration avec l''Université de Bordeaux, Motac Neuroscience et l''Hôpital universitaire de Lausanne.

«Le système que nous avons mis au point utilise des signaux enregistrés à partir du cortex moteur du cerveau afin de déclencher une stimulation électrique coordonnée des nerfs de la colonne vertébrale qui sont responsables de la locomotion», a commenté David Borton, professeur assistant d''ingénierie à Brown et un des auteurs principaux de l''étude. Le système a été testé sur deux macaques et on espère qu''un système similaire sera bientôt conçu pour les humains atteints de lésions médullaires.

La capacité de marcher est rendue possible par une interaction complexe entre les neurones dans le cerveau et la moelle épinière. C''est au niveau de cette dernière que les signaux électriques issus du cortex moteur du cerveau se dirigent vers la région lombaire de la moelle épinière inférieure. Là, ils activent les neurones moteurs qui coordonnent le mouvement des muscles responsables de l''extension et de la flexion de la jambe. Une lésion au niveau supérieur de la colonne vertébrale peut interrompre la communication entre le cerveau et la moelle épinière inférieure, autrement dit le cortex moteur et les neurones de la moelle épinière sont incapables de se coordonner, ce qui conduit à l''incapacité de marcher.

Le nouveau système a utilisé un réseau d''électrodes de la taille d''une pilule implanté dans le cerveau afin d''enregistrer les signaux du cortex moteur. Un neurocapteur sans fil envoie les signaux regroupés par la puce cérébrale sans fil à un ordinateur qui les décode et les renvoie, également sans fil, à un stimulateur électrique de la moelle épinière implanté dans la colonne lombaire, en-dessous de la zone blessée. Cette stimulation électrique, effectuée sous forme de schémas coordonnés par le cerveau, envoie les signaux décodés aux nerfs de la moelle épinière qui contrôlent la locomotion.

Afin de calibrer le décodage des signaux cérébraux, le capteur cérébral et le transmetteur sans fil ont été implantés dans des macaques sains. Les signaux relayés par le capteur ont ensuite pu être cartographiés sur les mouvements de pattes d''animaux, montrant que le décodeur pouvait prévoir exactement les états cérébraux associés à l''extension et la flexion des muscles des jambes. Combinant leur compréhension de l''influence des signaux cérébraux sur la locomotion grâce à des cartes spinales, les chercheurs ont ensuite testé le système entier sur deux macaques présentant des lésions s''étendant sur la moitié de la colonne vertébrale dans la colonne thoracique. Lorsque le système a été activé alors que les animaux n''avaient aucun contrôle sur leur patte affectée, ils ont commencé à bouger spontanément leurs jambes tout en marchant sur un tapis roulant. Les comparaisons cinématiques avec les contrôles sains ont montré que les macaques affectés, avec l''aide de la stimulation contrôlée par le cerveau, pouvaient produire des modèles locomoteurs presque normaux.

Selon Borton, «Effectuer cette opération sans fil nous permet de cartographier l''activité neurale dans des contextes normaux et lorsque le sujet a un comportement naturel. «Ces technologies d''enregistrement autonomes joueront un rôle clé si nous voulons vraiment mettre au point des neuroprothèses qui seront un jour déployées pour aider les patients humains dans leurs activités quotidiennes..»

Compte tenu des progrès réalisés, on espère désormais qu''un système similaire pourra être développé pour les êtres humains, mais certains obstacles doivent être surmontés. Cette étude a permis de transmettre des signaux depuis le cerveau jusqu''à la colonne vertébrale, mais le système mis au point n''avait pas la capacité de renvoyer les informations sensorielles au cerveau. L''équipe n''est également pas parvenue à tester la pression que les animaux pouvaient exercer sur la patte affectée.

«En neuroscience, on dit que les circuits qui se déclenchent ensemble sont reliés», commentait M. Borton. «L''idée ici est qu''en impliquant simultanément le cerveau et la colonne vertébrale, nous pourrions stimuler la croissance des circuits au cours de la rééducation. Il s''agit d''un des objectifs principaux de ces travaux et un objectif de ce domaine en général.»

Pour plus d''informations, veuillez consulter:
site web du projet NEUWALK
page du projet E-WALK sur CORDIS
page du projet WALK AGAIN sur CORDIS