La restauration du retour sensoriel naturel entraîne des bénéfices fonctionnels et cognitifs pour les utilisateurs de prothèses de jambe. Crédit : Pietro Comaschi
Il y a quelques années, une équipe de chercheurs travaillant sous la direction du professeur Stanisa Raspopovic du laboratoire de neuro-ingénierie de l’ETH Zurich a attiré l’attention du monde entier lorsqu’elle a annoncé que ses jambes prothétiques permettaient aux amputés de ressentir pour la première fois les sensations de cette partie artificielle du corps. Contrairement aux prothèses de jambe du commerce, qui offrent simplement stabilité et soutien aux amputés, la prothèse des chercheurs de l’ETH a été reliée au nerf sciatique de la cuisse des sujets testés via des électrodes implantées.
Cette connexion électrique permettait à la neuroprothèse de communiquer avec le cerveau du patient, en relayant par exemple des informations sur les changements constants de pression détectés sur la plante du pied prothétique lors de la marche. Cela a donné aux sujets testés une plus grande confiance dans leur prothèse et leur a permis de marcher beaucoup plus vite sur des terrains difficiles. « Notre prothèse de jambe expérimentale a réussi à évoquer des sensations naturelles. C’est quelque chose que les neuroprothèses actuelles sont pour la plupart incapables de faire ; au lieu de cela, ils évoquent principalement des sensations artificielles et désagréables », explique Raspopovic.
Cela est probablement dû au fait que les neuroprothèses actuelles utilisent des impulsions électriques constantes dans le temps pour stimuler le système nerveux. « Ce n’est pas seulement contre nature, mais aussi inefficace », déclare Raspopovic. Dans un article récemment publié, lui et son équipe ont utilisé l’exemple de leurs prothèses de jambe pour mettre en évidence les avantages de l’utilisation d’une stimulation biomimétique d’inspiration naturelle pour développer la prochaine génération de neuroprothèses.
Le modèle simule l’activation des nerfs dans la semelle
Pour générer ces signaux biomimétiques, Natalija Katic – doctorante dans le groupe de recherche de Raspopovic – a développé un modèle informatique appelé FootSim. Elle est basée sur des données recueillies par des collaborateurs au Canada, qui ont enregistré l’activité de récepteurs naturels, appelés mécanorécepteurs, dans la plante du pied en touchant différents points des pieds de volontaires avec une tige vibrante.
Le modèle simule le comportement dynamique d’un grand nombre de mécanorécepteurs dans la plante du pied et génère des signaux neuronaux qui remontent les nerfs de la jambe vers le cerveau – à partir du moment où le talon touche le sol et où le poids du corps commence à se relâcher. avancez vers l’extérieur du pied jusqu’à ce que les orteils décollent du sol, prêts pour l’étape suivante. « Grâce à ce modèle, nous pouvons voir comment les récepteurs sensoriels de la semelle et les nerfs connectés se comportent pendant la marche ou la course, ce qui est expérimentalement impossible à mesurer », explique Katic.
Surcharge d’informations dans la moelle épinière
Pour évaluer dans quelle mesure les signaux biomimétiques calculés par le modèle correspondent aux signaux émis par de vrais neurones, Giacomo Valle – postdoctorant dans le groupe de recherche de Raspopovic – a travaillé avec des collègues en Allemagne, en Serbie et en Russie sur des expériences avec des chats, dont le système nerveux traite le mouvement. d’une manière similaire à celle des humains. Les expériences ont eu lieu en 2019 à l’Institut Pavlov de physiologie de Saint-Pétersbourg et ont été réalisées conformément aux directives pertinentes de l’Union européenne.
Les chercheurs ont implanté des électrodes, connectant certaines au nerf de la jambe et d’autres à la moelle épinière pour découvrir comment les signaux sont transmis à travers le système nerveux. Lorsque les chercheurs ont appliqué une pression sur le bas de la patte du chat, évoquant ainsi la réponse neuronale naturelle qui se produit lorsqu’un chat fait un pas, le modèle d’activité particulier enregistré dans la moelle épinière ressemblait en effet aux modèles provoqués dans la moelle épinière. lorsque les chercheurs ont stimulé le nerf de la jambe avec des signaux biomimétiques.
En revanche, l’approche conventionnelle de stimulation constante dans le temps du nerf sciatique dans la cuisse du chat a provoqué un schéma d’activation nettement différent dans la moelle épinière. « Cela montre clairement que les méthodes de stimulation couramment utilisées provoquent une inondation d’informations dans les réseaux neuronaux de la colonne vertébrale », explique Valle. « Cette surcharge d’informations pourrait être à l’origine de sensations désagréables ou de paresthésies signalées par certains utilisateurs de neuroprothèses », ajoute Raspopovic.
Apprendre le langage du système nerveux
Dans leur essai clinique mené auprès de personnes amputées de la jambe, les chercheurs ont pu montrer que la stimulation biomimétique est supérieure à la stimulation constante dans le temps. Leurs travaux ont clairement démontré comment les signaux qui imitent la nature produisaient de meilleurs résultats : non seulement les sujets testés étaient capables de monter les marches plus rapidement, mais ils faisaient également moins d’erreurs dans une tâche qui les obligeait à gravir les mêmes marches tout en épelant les mots à l’envers. « La neurostimulation biomimétique permet aux sujets de se concentrer sur d’autres choses tout en marchant », explique Raspopovic, « nous avons donc conclu que ce type de stimulation est traité plus naturellement et moins éprouvant pour le cerveau. »
Raspopovic, dont le laboratoire fait partie de l’Institut de robotique et de systèmes intelligents de l’ETH, estime que ces nouvelles découvertes ne concernent pas seulement les prothèses de membres sur lesquelles lui et son équipe travaillent depuis plus de cinq ans. Il soutient que la nécessité de s’éloigner d’une stimulation non naturelle et constante dans le temps pour se tourner vers des signaux biomimétiques s’applique également à toute une série d’autres aides et dispositifs, notamment les implants rachidiens et les électrodes pour la stimulation cérébrale. « Nous devons apprendre le langage du système nerveux », explique Raspopovic. « Nous serons alors capables de communiquer avec le cerveau d’une manière qu’il comprend vraiment. »
