Paralysie et chirurgie du bypass cérébral
Table des matières:
- Décoder les signaux cérébraux
- Fonctionnement de la technologie
- Les interfaces cerveau-ordinateur
- Optimisme pour l'avenir
Les percées scientifiques dans la technologie de l'interface cerveau-ordinateur pourraient offrir un nouvel espoir de vaincre la paralysie.
Dans la dernière avancée, un homme quadriplégique paralysé il y a huit ans a retrouvé le mouvement fonctionnel de son bras.
PublicitéPublicitéIl se nourrit de sa main en utilisant cette technologie, une première dans l'histoire de la médecine.
Des chercheurs de l'Université Case Western Reserve de l'Ohio ont annoncé leurs découvertes le 28 mars dans le journal médical britannique The Lancet.
L'annonce de Case Western a été faite le lendemain de la révélation par l'entrepreneur Elon Musk (de la société Tesla de voitures électriques et de fusées SpaceX) de développer une technologie similaire.
PublicitéLa «dentelle neurale» de Musk, selon un article du Wall Street Journal, relierait directement le cerveau d'une personne à un ordinateur.
Pendant ce temps, des scientifiques de l'Ohio State University (OSU) travaillent avec un patient paralysé et ont développé une technologie similaire à celle de Case Western.
L'équipe de l'OSU développe cette technologie avec des scientifiques de l'Institut Battelle Memorial, une organisation à but non lucratif de l'Ohio qui crée des dispositifs médicaux.
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Décoder les signaux cérébraux
Les scientifiques de Case Western travaillent avec Bill Kochevar, un quadriplégique de 53 ans blessé dans un accident de vélo.
Les chercheurs ont implanté une neuroprothèse qui décodait les signaux de son cerveau et les transmettait à des capteurs dans son bras, ce qui l'aidait à retrouver le mouvement de sa main et de son bras.
Robert Kirsch, Ph.D., président du département de génie biomédical de l'Université Western, directeur exécutif du centre de stimulation électrique fonctionnelle (FES) de l'université, est l'auteur principal de la recherche.
PublicitéPublicitéIl a qualifié la percée d'étape majeure.
"Nous avons montré qu'il était possible d'enregistrer les intentions de mouvement de quelqu'un et de faire ensuite ses propres mouvements", a-t-il dit.
Il pense juste à bouger son bras et le bras bouge comme il l'entend. Bolu Ajiboye, Université Case Western ReserveLe collègue de Kirsch, Bolu Ajiboye, Ph.D., professeur adjoint de génie biomédical à Case Western et associé de recherche au Centre médical Louis Stokes Cleveland Veterans Administration, explique comment la technologie fonctionne.
Publicité"Le mouvement normal chez les personnes non handicapées se produit parce que le cortex moteur génère une commande de mouvement, représentée comme des signaux électriques, qui traverse la moelle épinière, puis active les muscles appropriés", a déclaré Ajiboye.
Une lésion de la moelle épinière empêche ces impulsions électriques d'atteindre les muscles, explique-t-il, mais la commande de mouvement originale est encore correctement codée dans les schémas d'activité électrique du cerveau.
AdvertisementAdvertisement"Notre système enregistre le modèle d'activité électrique à travers l'implant cérébral et utilise des algorithmes mathématiques pour le décoder en une commande de mouvement voulue par la personne paralysée. Cette commande est convertie en un schéma de stimulation électrique qui est appliqué au groupe de muscles droit pour produire le mouvement. Pour M. Kochevar, le processus est transparent et invisible. Dans ses mots, il dit qu'il pense juste à bouger son bras et que le bras bouge comme il l'entend. "
Ajiboye a également souligné ce que cette nouvelle technologie n'est pas.
La science a tenté à plusieurs reprises de "réparer" une colonne vertébrale endommagée par l'ingénierie tissulaire et la repousse sans succès, a-t-il dit.
Publicité"Nous aimerions que les scientifiques trouvent un moyen de repousser et de reconnecter la moelle épinière en utilisant des thérapies cellulaires", a déclaré Ajiboye. "Cependant, notre approche actuelle utilise la technologie pour contourner la lésion de la colonne vertébrale pour obtenir les signaux de mouvement du cerveau vers le bon ensemble de muscles pour produire le mouvement.
Les autres technologies qui aident les personnes paralysées à retrouver leur fonction se limitent généralement aux appareils qu'elles peuvent contrôler en utilisant leur voix et leurs mouvements oculaires, ou en déplaçant leur tête.
PublicitéPublicitéCependant, aucun de ces appareils ne permet le contrôle de son propre membre.
"Notre appareil permet à un utilisateur de bouger son propre membre juste en pensant", explique Ajiboye. "Je tiens à préciser que notre système contourne les blessures à la colonne vertébrale, plutôt que d'inverser la paralysie. Sans le système, l'utilisateur serait toujours paralysé, et il n'y a aucune preuve suggérant que l'utilisation de ce système aboutirait finalement à la repousse de la colonne vertébrale, ou réintroduirait la capacité de se déplacer sans le système. "
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Fonctionnement de la technologie
Pourquoi la technologie Case Western est-elle unique?
Le système est le premier à utiliser à la fois une interface d'ordinateur cerveau-implant avec un système FES pour activer électriquement les muscles paralysés.
Avant cela, les scientifiques ont traité un certain nombre de personnes paralysées mais avec une seule approche ou l'autre.
Kochevar est la première personne à expérimenter cette technologie combinée.
Ajiboye a déclaré que de nombreux groupes de recherche ont utilisé le système d'interface cérébrale avec les humains et avec les primates non humains. Les deux groupes de test étaient capables d'effectuer des tâches telles que déplacer des curseurs sur un écran d'ordinateur ou déplacer des bras robotiques.
"Notre centre FES depuis 25 à 30 ans a implanté des systèmes FES chez les personnes blessées médullaires pour restaurer un certain nombre de fonctions, notamment la station debout, la marche, la respiration et les mouvements des mains et des bras".
Kochevar a rejoint le projet de recherche Case Western en 2014. Il a reçu ses implants cérébraux en décembre de la même année.En 2015, Kirsch, Ajiboye et leurs collègues ont implanté des électrodes dans les muscles de son bras et de sa main.
Kochevar a appris à activer ses signaux cérébraux pour contrôler différents appareils.
"Nous l'avons d'abord vu regarder un mouvement de bras virtuel sur un écran d'ordinateur, alors qu'il imaginait simultanément faire les mêmes mouvements avec son propre bras", a déclaré Ajiboye. "Cela a généré des modèles d'activité neuronale. Nous avons ensuite développé un décodeur neuronal, un algorithme mathématique qui reliait les modèles générés de l'activité neurale aux aspects des mouvements virtuels du bras. "
Ensuite, Kochevar a contrôlé le bras virtuel en générant des modèles de signaux cérébraux qui ont ensuite été interprétés par le décodeur neuronal, a dit Ajiboye.
Kochevar s'est entraîné pour déplacer le bras virtuel avec précision vers des cibles spécifiées dans l'espace de travail. Les scientifiques ont quantifié son contrôle du cerveau du bras virtuel, et ont découvert qu'il était capable de le contrôler presque immédiatement, a déclaré Ajiboye. En outre, Kochevar atteint relativement rapidement un taux de réussite de 95 à 100% de la précision de la cible.
Finalement, les scientifiques ont tenté de faire bouger le bras de Kochevar à travers la stimulation FES dans un processus en deux étapes.
"Nous avons déplacé manuellement son bras (par stimulation électrique) et lui avons demandé d'imaginer qu'il contrôlait ses mouvements de bras", a déclaré Ajiboye. "Encore une fois, cela a contribué à générer les modèles souhaités d'activité neuronale, que nous avons utilisé pour construire et affiner notre décodeur neuronal. Nous l'avons fait utiliser le décodeur neural final pour commander les mouvements de son propre bras, réanimés par stimulation électrique. Il était capable de bouger instantanément son bras comme il le souhaitait, et s'est progressivement amélioré avec une utilisation accrue. "
Dans une vidéo publiée par Case Western, Kochevar a déclaré:" C'était incroyable parce que je pensais à bouger mon bras et c'était le cas. Je pourrais le déplacer dedans et dehors, de haut en bas. "
Depuis Kochevar a eu une paralysie à long terme, ses muscles étaient initialement faibles et facilement fatigués. Ajiboye a dit.
Pour renforcer sa force musculaire et sa résistance à la fatigue, l'équipe a «exercé» ses muscles plusieurs heures par jour en utilisant la stimulation électrique sans le système d'interface cérébrale.
Au fil du temps, cet exercice stimulé électriquement a augmenté sa force musculaire et sa capacité à utiliser le système plus longtemps sans fatigue.
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Les interfaces cerveau-ordinateur
Comme dans le cas des innovations occidentales, l'innovation de l'Ohio a aidé un homme quadriplégique à utiliser sa main, après des années de paralysie.
L'équipe de recherche était dirigée par le Dr Ali Rezai, professeur de neurochirurgie et de neurosciences, et directeur du Centre de neuromodulation du Centre médical Wexner de l'université.
Le patient, Ian Burkhart, a été gravement blessé à la moelle épinière à l'âge de 19 ans lors d'un accident de plongée. Il lui a laissé avec peu de fonction et mouvement dans ses épaules et biceps, et aucun mouvement de ses coudes à ses mains.
« Notre équipe a développé une technologie d'interface cerveau-ordinateur qui court-circuite la moelle épinière endommagée, ce qui permet un patient comme Ian avec lésion de la moelle épinière et de tétraplégie et aucune fonction de ses mains pendant cinq ans pour utiliser simplement ses pensées pour déplacer son la main sans vie pour devenir vivant et sous son contrôle volontaire », a déclaré Rezai à Healthline.
En avril 2014, Rezai a implanté une micropuce de la taille d'une tête de crayon à la surface du cortex moteur du cerveau de Burkhart. Les 96 microélectrodes de la puce ont enregistré le déclenchement de ses neurones individuels.
Rezai et ses collègues ont développé le système de dérivation neurale, qui enregistre et analyse l'activité cérébrale qui se produit lorsque Burkhart a l'intention de bouger la main.
Après avoir contourné la moelle épinière endommagée et la connexion endommagée entre le cerveau et les nerfs musculaires, le système relie le signal cérébral de Burkhart avec un manchon de vêtement externe, a indiqué Rezai.
Cela permet à Burkhart de bouger sa main.
"L'implant cérébral enregistre et interprète les signaux cérébraux liés aux pensées, et les relie à un vêtement de douille portable externe pour contrôler ses muscles", a expliqué Rezai. "C'est un système de stimulation neuromusculaire. Les pensées associées à une intention de bouger - par exemple l'ouverture de la main - sont liées et connectées en quelques millisecondes au mouvement fonctionnel réel de la main. "
La première génération du système de vêtement et de stimulation des manches portables externes, a-t-il dit, a jusqu'à 160 électrodes stimulantes" constituées d'hydrogel super flexible - une gamme d'électrodes haute définition et haute résolution qui se conforment à différentes formes et des contours tels que l'avant-bras. "
Le vêtement peut prendre la forme d'une manche, d'un gant, d'une chaussette, d'un pantalon, d'une ceinture, d'un bandeau et d'autres facteurs de forme.
"Une complexité et une coordination importantes sont nécessaires pour permettre aux mouvements de prendre un agitateur de manière douce pour remuer le café, utiliser une brosse à dents ou jouer à un jeu vidéo", a-t-il déclaré. «Cet algorithme d'apprentissage automatique améliore et affine les mouvements, depuis les mouvements brusques et irréguliers, jusqu'à des mouvements plus fluides et fluides. "
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Optimisme pour l'avenir
Les neuroscientifiques qui observent les récentes percées sont impressionnés et optimistes.
Joseph O'Doherty, Ph.D., chercheur postdoctoral au Philip Sabes Lab de l'Université de Californie à San Francisco, Centre for Integrative Neuroscience, qualifie de révolutionnaires les récents progrès de la technologie d'interface cerveau-ordinateur. "
" Cette recherche montre que les membres paralysés peuvent être réanimés - par la seule pensée - pour restaurer les mouvements coordonnés et multi-articulaires importants pour la vie quotidienne: atteindre, saisir, manger et boire ", a-t-il déclaré à Healthline. "C'est une démonstration de démonstration de principe qui soulève la possibilité que des thérapies similaires pourraient bientôt être adoptées en dehors de la clinique. "
Les scientifiques travaillent sur les interfaces cerveau-ordinateur, sous une forme ou une autre, depuis la fin des années 1960, at-il dit. Le domaine a progressé depuis le contrôle des curseurs d'ordinateur, en passant par les fauteuils roulants et les bras robotisés, jusqu'à maintenant, en rétablissant le contrôle volontaire des membres.
"Les lésions de la moelle épinière altèrent souvent le sens du toucher ainsi que la capacité de bouger", a déclaré O'Doherty. "La restauration des sensations des membres sera un élément crucial des neuroprothèses qui permettent des mouvements fluides et naturels. "Il reste de nombreux défis à surmonter", at-il ajouté, "mais ce nouveau résultat, combiné avec de nombreuses avancées dans la technologie sans fil, la technologie des batteries, la science des matériaux et plus, me rend très optimiste sur les dispositifs neuroprosthétiques. le mouvement et la sensation deviennent largement disponibles. "
Ces innovations offrent un espoir et un potentiel de restauration du mouvement et une indépendance accrue à de nombreux patients atteints de paralysie ou d'autres handicaps physiques. Le Dr Ali Rezai, Centre médical Wexner de l'Université d'État de l'Ohio
Rezai indique que 12 000 personnes aux États-Unis subissent chaque année une lésion de la moelle épinière et que 300 000 d'entre elles souffrent d'accidents de la route, de traumatismes ou de blessures sportives. et tombe.Moins de 1% parviennent à un rétablissement complet, et la plupart ont des déficits qui dépendent de diverses technologies d'assistance et d'adaptation pour offrir un degré limité d'indépendance.
"Ces innovations offrent un espoir et un potentiel de restauration du mouvement et une indépendance accrue à de nombreux patients souffrant de paralysie ou d'autres handicaps physiques", a déclaré M. Rezai. "En plus des améliorations motrices, cette technologie a des implications potentielles pour ceux qui ont des déficits sensoriels, des douleurs chroniques, de la parole, des accidents vasculaires cérébraux, des troubles cognitifs, de l'anxiété et du comportement. "
M. Rezai a déclaré qu'il espérait que les personnes ayant des handicaps physiques, sensoriels, cognitifs et autres auront bientôt l'occasion d'être plus fonctionnelles, d'avoir plus d'indépendance et d'avoir une meilleure qualité de vie.
"Notre objectif est de rendre cette technologie moins invasive, de réduire la taille de l'appareil, de miniaturiser les capteurs, de rendre le système sans fil et de fournir le système à la maison plutôt qu'au laboratoire", a-t-il déclaré.
L'équipe de Case Western travaille également à faire progresser son système sur le plan technologique.
"Nous devons développer une interface cerveau sans fil pour remplacer le câble qui relie l'utilisateur à un ensemble d'ordinateurs d'enregistrement", a déclaré Ajiboye. «Nous devons améliorer la longévité de l'implant cérébral, augmenter le nombre de neurones à partir desquels nous pouvons enregistrer et développer une interface cérébrale entièrement implantée et un système de stimulation électrique fonctionnelle. "
