Le mot « bionique » évoque des visions de science-fiction d’humains améliorés à des niveaux surhumains. Il est vrai que les progrès techniques tels que de meilleurs moteurs et batteries, ainsi que l'informatique moderne, signifient que les systèmes mécaniques et électroniques requis ne constituent plus un obstacle aux prothèses avancées. Mais le domaine a eu du mal à intégrer ces puissantes machines au corps humain.
Cela commence à changer. Un essai récent a testé une nouvelle technique d'intégration, qui consiste à reconstruire chirurgicalement des paires de muscles qui donnent aux receveurs une idée de la position et du mouvement d'un membre bionique. Les signaux émis par ces muscles contrôlent les articulations du robot, de sorte que la prothèse est entièrement sous le contrôle du cerveau de l'utilisateur. Le système a permis aux personnes amputées sous le genou de marcher plus naturellement et de mieux franchir les pentes, les escaliers et les obstacles, ont rapporté des chercheurs dans le rapport de juillet. Médecine naturelle.
Les ingénieurs considèrent généralement la biologie comme une limitation fixe à contourner, explique le bio-ingénieur Tyler Clites, qui a contribué au développement de la technique il y a plusieurs années alors qu'il était au MIT. « Mais si nous considérons le corps comme une partie du système à concevoir, en parallèle avec la machine, les deux pourront mieux interagir. »
Cette vision entraîne une vague de techniques qui réorganisent le corps pour mieux s’intégrer à la machine. Clites, maintenant à l'UCLA, appelle ces techniques « anatomiques », pour les distinguer de la bionique traditionnelle. « Le problème auquel nous nous attaquions n'était pas un problème d'ingénierie », dit-il. « La façon dont le corps avait été manipulé pendant l'amputation ne le laissait pas en mesure de contrôler les membres que nous créions. »
Dans une approche anatomique, les os sont exploités pour fournir des ancrages stables ; les nerfs sont redirigés pour créer des signaux de contrôle pour les membres robotiques ou transmettre un retour sensoriel ; les muscles sont récupérés comme amplificateurs biologiques ou greffés pour fournir davantage de sources de signaux. Ces techniques améliorent toutes la connexion et la communication entre un membre robotique et le système nerveux humain, renforçant ainsi les capacités des prothèses bioniques (SN : 09/02/24).
Les appareils basés sur l’anatomie ont mis du temps à sortir des laboratoires et à entrer dans le monde commercial et clinique. Mais certains disent que ce domaine nous rapproche de cette vision de science-fiction de membres bioniques parfaitement intégrés et contrôlés par le cerveau – d’autant plus que d’autres progrès sont à venir.
Voici un aperçu plus approfondi de la manière dont les chercheurs cherchent à marier le corps et la machine.
Reconstruire les muscles
La proprioception – la conscience qu'a le corps de lui-même dans l'espace – est un sens difficile à restaurer, mais il est important pour le mouvement, en particulier la marche (SN : 09/09/19). Les muscles envoient des signaux à notre cerveau pour savoir où se trouve notre corps, comment il bouge et quelles forces il rencontre. Ces signaux sont générés principalement par des muscles couplés appelés paires agoniste-antagoniste, où l’un se contracte tandis que l’autre s’étire.
Lors d’une amputation traditionnelle, cette rétroaction importante est ignorée. Mais la technique rapportée dans l'étude de juillet, connue sous le nom d'interface myoneurale agoniste-antagoniste, ou AMI, reconstruit chirurgicalement ces paires push-pull et utilise les signaux qu'elles génèrent pour contrôler les articulations prothétiques. La procédure permet au receveur de « sentir » son membre prothétique.
« Lorsque la prothèse bouge, la personne ressent ce mouvement comme une sensation proprioceptive naturelle », explique Hugh Herr, bioniciste au MIT, qui a développé la technique aux côtés de Clites et du chirurgien de l'équipe Matthew Carty.
L'étude récente faisait partie d'un essai clinique mené par Herr et ses collègues, qui a testé la technique sur 14 personnes amputées sous le genou. Sept participants avaient subi la procédure AMI, tandis que les autres avaient subi des amputations standard. Les bénéficiaires du système basé sur l'AMI ont augmenté leur vitesse de marche d'environ 40 pour cent, passant de 1,26 mètres par seconde à 1,78 mètres par seconde, ont découvert les chercheurs, un taux comparable à celui des personnes non amputées.
Extension des os
Les plaintes les plus courantes des utilisateurs de prothèses concernent la douleur et l’inconfort. Une source majeure d’inconfort est le point d’attache.
« De nombreux problèmes liés à l'utilisation des prothèses sont liés à l'emboîture », explique la bio-ingénieure Cindy Chestek de l'Université du Michigan à Ann Arbor. La chair molle est mal adaptée au transfert de charges vers la partie du corps construite pour cette tâche : les os. La tension qui en résulte peut provoquer des lésions tissulaires et, invariablement, un inconfort, conduisant parfois les utilisateurs à abandonner leur appareil.
Une technique appelée ostéointégration exploite le fait que certains métaux se lient aux os. Un boulon en titane inséré dans le squelette ancre la prothèse en place, offrant ainsi plus de résistance, de stabilité et de confort. « Il y a une raison pour laquelle nous avons des squelettes », explique Chestek.
La procédure a été réalisée pour la première fois en 1990, mais n'est devenue largement acceptée et disponible en clinique qu'au cours de la dernière décennie. Un système d'implant, appelé OPRA, a reçu l'approbation de la Food and Drug Administration des États-Unis en 2020. Le principal inconvénient est que le boulon en titane doit traverser la peau, créant un trou permanent qui comporte des risques d'infection. « Outre le risque d’infection, l’ostéointégration est meilleure à tous égards », explique Chestek.
Détourner les nerfs
Les bioniciens cherchent depuis longtemps à exploiter les nerfs du corps pour créer des prothèses communiquant avec le cerveau. Mais les premiers efforts ont été frustrants, principalement parce que les signaux transmis par les nerfs sont très faibles.
« Les gens ont essayé pendant des décennies d’obtenir des signaux significatifs de la part de [putting] un fil à l'intérieur d'un nerf », explique Chestek. « À ce jour, c'est presque impossible en dehors d'un laboratoire contrôlé. »
Les prothèses bioniques modernes communiquent plutôt avec les muscles. Lorsqu’ils sont activés par un nerf, les muscles émettent des signaux électriques beaucoup plus importants, qui peuvent être captés par des électrodes situées sur la peau, qui contrôlent ensuite le membre prothétique.
Mais les nerfs qui faisaient fonctionner auparavant des parties d’un membre manquant – et qui pouvaient tout aussi efficacement faire fonctionner le membre artificiel – ne se terminent généralement pas par des muscles. Ils ne vont nulle part, ce qui crée des névromes, des bulbes aux extrémités nerveuses dont les « étincelles » électriques provoquent de la douleur.
Une procédure appelée réinnervation musculaire ciblée, ou TMR, résout ce problème. Un chirurgien dépouille les muscles de leurs nerfs natifs et redirige les nerfs sectionnés vers ce terrain fraîchement dégagé. Les nerfs redirigés se développent au fil du temps dans les muscles, qui agissent comme des amplificateurs, créant des sources des signaux de contrôle requis. « Vous transformez un problème d'enregistrement nerveux en un problème d'enregistrement musculaire », explique Chestek. « L'enregistrement musculaire est facile. » La procédure traite également la douleur du névrome – un objectif pour lequel elle est souvent pratiquée.
Un inconvénient est que le TMR cannibalise les muscles existants, limitant ainsi le nombre de signaux pouvant être créés. « Vous manquez de biens immobiliers assez rapidement », explique Chestek. Ceci est particulièrement important pour les amputations au-dessus du genou ou du coude, où il reste moins de muscles et plus d’articulations prothétiques à contrôler.
Une nouvelle technique, connue sous le nom d'interface nerveuse périphérique régénérative, ou RPNI, insère chirurgicalement de petites greffes musculaires prélevées ailleurs et redirige les nerfs vers celles-ci. Les chirurgiens peuvent ensuite disséquer ces faisceaux nerveux en fibres qui les constituent pour capitaliser sur les cibles nouvellement greffées, permettant ainsi aux chercheurs de créer autant de signaux qu'ils en ont besoin, explique Chestek.
La petite taille des greffons musculaires rend cependant difficile la captation des signaux à l’aide d’électrodes de surface. « Vous ne pouvez pas enregistrer [electrical signals] d'un morceau de muscle de trois centimètres à travers la peau très facilement », explique Chestek. « Il faut utiliser des électrodes implantées. » C’est plus invasif et les implants se heurtent à des obstacles réglementaires, mais les électrodes implantées produisent des signaux de meilleure qualité. Il faut simplement y accéder d’une manière ou d’une autre, car faire passer des fils à travers la peau n’est pas viable en dehors des études en laboratoire.
Certains chercheurs travaillent sur des systèmes sans fil, mais une autre solution consiste à combiner les RPNI avec l'ostéointégration. Dans cette configuration, les fils entre les électrodes implantées et la prothèse passent simplement à travers le boulon en titane. Une étude publiée l’année dernière a décrit un bras bionique au-dessus du coude utilisant cette approche qui permettait au receveur de contrôler chaque doigt de sa main robotique.
Reconstruire les corps
Dans son laboratoire d'anatomie de l'UCLA, Clites déclare : « J'ai neuf ou dix collaborations actives avec des chirurgiens sur différents projets. » Ici, lui et son équipe utilisent des cadavres pour tester des idées et recueillir des données. « Nous monterons des membres de cadavres sur un bras manipulateur et évaluerons les systèmes que nous développons pour nous assurer qu'ils fonctionnent comme prévu », explique Clites. « C'est l'épine dorsale de ce que nous faisons. »
L'un des projets en cours de développement est une nouvelle méthode de fixation qui évite le trou permanent lié à l'ostéointégration. Au lieu d'un boulon en titane, il y a un morceau d'acier dans le membre et un électro-aimant dans l'emboîture de la prothèse. « Cet aimant tient [the socket] sur le membre », dit Clites, « et vous pouvez ensuite contrôler la force d’attraction en modifiant le courant traversant cet électro-aimant. » La douille ne doit pas supporter de charges ; la force magnétique fait ce travail, changeant d'instant en instant en fonction des exigences, comme marcher ou rester debout.
Au MIT, Herr travaille également sur une nouvelle avancée. L’essai récent sur les jambes bioniques basées sur l’AMI a utilisé des électrodes placées sur la peau pour transmettre les signaux des muscles aux articulations prothétiques. Mais les électrodes de surface présentent des inconvénients, tels que le mouvement provoquant des distorsions du signal. La nouvelle technique, appelée magnétomicrométrie, consiste à placer des sphères magnétiques à l'intérieur des muscles et à surveiller leurs mouvements à l'aide de magnétomètres. « Avec ces aimants », explique Herr, « nous pouvons mesurer ce qui nous intéresse et l'utiliser pour contrôler directement la prothèse bionique. » Un produit commercial existera dans environ cinq ans, dit-il.
Pour Herr, de telles avancées sont personnelles. Ses deux jambes ont été amputées sous le genou après un accident d'alpinisme il y a 42 ans. Il envisage de passer aux prothèses de jambe bioniques basées sur l'AMI dans les années à venir. Une fois ces techniques perfectionnées, il prédit un bond en avant. « Lorsque vous associez des techniques chirurgicales telles que l'AMI et le RPNI à quelque chose comme la magnétomicrométrie, nous pensons que la partie sera terminée », déclare Herr. « Nous pensons qu'il y aura une version hollywoodienne des membres robotiques contrôlés par le cerveau. »
Un avantage supplémentaire de la restauration de la proprioception, parallèlement à d'autres types de retours sensoriels tels que le toucher, est qu'elle donne aux receveurs le sentiment qu'une prothèse fait partie d'eux-mêmes (SN : 22/04/21). «L'objectif sur le terrain est que lorsque nous effectuons une reconstruction robotisée, la personne dit: 'Oh mon Dieu, tu m'as rendu mon corps.'», dit Herr. « Au lieu d’un outil robotique, nous leur rendons un membre entier. Le peloton est très proche de cet objectif.
