Des membres robotiques qui se branchent sur le cerveau

La plupart des bras robotiques actuellement utilisés par certains amputés sont d'un usage limité ; ils n'ont que deux à trois degrés de liberté, permettant à l'utilisateur d'effectuer un seul mouvement à la fois. Et ils sont contrôlés avec un effort conscient, ce qui signifie que l'utilisateur ne peut rien faire d'autre tout en déplaçant le membre.

Membres réalistes : Un bras prothétique contrôlé par le cerveau, en cours de développement au Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins avec un financement de la DARPA, pourrait permettre aux amputés d'effectuer des mouvements beaucoup plus sophistiqués.

Une nouvelle génération de bras prothétiques beaucoup plus sophistiqués et réalistes, parrainée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) du ministère de la Défense, pourrait être disponible dans les cinq à 10 prochaines années. Deux prototypes différents qui se déplacent avec la dextérité d'un membre naturel et peuvent théoriquement être contrôlés de manière tout aussi intuitive - avec des signaux électriques enregistrés directement à partir du cerveau - commencent maintenant des tests humains.

Les premiers résultats de l'une de ces études – les premiers tests sur un humain paralysé contrôlant un bras robotique à plusieurs degrés de liberté – seront présentés lors de la conférence de la Society for Neuroscience en novembre.

Les nouvelles conceptions ont environ 20 degrés de mouvement indépendant, un bond significatif par rapport aux prothèses existantes, et elles peuvent être utilisées via une variété d'interfaces. Un appareil, développé par DEKA Recherche et Développement , peut être contrôlé consciemment à l'aide d'un système de leviers dans une chaussure.

Dans une approche plus invasive mais aussi plus intuitive, les amputés subissent une intervention chirurgicale pour déplacer les nerfs restants de leurs membres perdus vers les muscles de la poitrine. Penser à bouger le bras contracte les muscles de la poitrine, qui à leur tour déplacent la prothèse. Mais cette approche ne fonctionne que chez ceux qui ont une capacité nerveuse restante suffisante, et elle offre un niveau de contrôle limité. Pour profiter pleinement de la dextérité de ces prothèses, et les faire fonctionner comme un vrai bras, les scientifiques veulent les contrôler avec des signaux cérébraux.

Lorsque vous ramassez un objet, votre cerveau sait automatiquement faire pivoter le poignet et bouger les doigts, explique Michael McLoughlin, qui supervise le développement de l'une des prothèses au Laboratoire de Physique Appliquée (APL) à l'Université Johns Hopkins. Nous voulons un membre adroit et la capacité de le contrôler de manière naturelle, ainsi qu'un certain niveau de retour tactile.

Des tests limités d'implants neuraux chez des patients gravement paralysés sont en cours depuis cinq ans. Environ cinq personnes ont été implantées avec des puces à ce jour, et elles ont pu contrôler les curseurs sur un écran d'ordinateur, conduire un fauteuil roulant et même ouvrir et fermer une pince sur un bras robotique très simple. Des tests plus approfondis sur des singes implantés avec une puce corticale montrent que les animaux peuvent apprendre à contrôler un bras prothétique relativement simple de manière utile, en l'utilisant pour saisir et manger un morceau de guimauve.

La prochaine grande étape consiste à se demander combien de dimensions pouvez-vous contrôler ? dit John Donoghue , neuroscientifique à l'Université Brown qui développe des interfaces cerveau-ordinateur. Atteindre l'eau et la porter à la bouche prend environ sept degrés de liberté. L'ensemble du bras a de l'ordre de 25 degrés de liberté. Le groupe de Donoghue, qui a supervisé les tests précédents d'implants corticaux chez les patients, compte désormais deux volontaires paralysés testant le bras DEKA. Les chercheurs de l'APL ont développé un deuxième bras prothétique avec un répertoire encore plus large de mouvements possibles et ont demandé l'autorisation de commencer des tests humains. Ils visent à commencer à implanter des patients atteints de lésions de la moelle épinière en 2011, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Pittsburgh et de Caltech.

Les volontaires de cette étude recevront deux puces corticales différentes, chacune portant 100 électrodes d'enregistrement. Les scientifiques espèrent que doubler la capacité d'écoute du cerveau fournira suffisamment de signaux indépendants pour permettre des mouvements plus complexes sur le bras APL sophistiqué. C'est un bras très adroit et anthropomorphe, dit Andrew Schwartz , l'un des neuroscientifiques impliqués dans l'étude. La bande passante d'informations dont vous avez besoin pour contrôler l'appareil est beaucoup plus élevée.

Les chercheurs de Pittsburgh testeront également de nouvelles puces combinées à des systèmes de télémétrie, qui traitent certaines des informations enregistrées sur la puce avant de l'envoyer à un processeur implanté dans la poitrine. Le processeur contrôle alors sans fil le bras. Les versions actuelles utilisées chez les humains et les singes envoient des informations via des fils sortant du crâne, ce qui augmente le risque d'infection à long terme. Alors que la nouvelle configuration sera quelque peu similaire à celle utilisée dans les stimulateurs cardiaques et les appareils de stimulation cérébrale profonde, un bras prothétique remplit des fonctions plus complexes qu'un stimulateur cardiaque, et donc plus d'informations sont nécessaires pour le contrôler. Aucun dispositif implantable n'a un système de télémétrie capable de cette bande passante, dit Schwartz. Cette technologie sera un grand pas.

Les chercheurs de Pittsburgh visent à terme à ajouter également des capacités sensorielles aux bras, en ajoutant des matériaux capables de détecter la chaleur et d'autres propriétés et de transmettre ces informations à une troisième puce implantée dans une partie du cerveau qui traite les stimuli sensoriels.

On ne sait pas encore quel sera le plus haut niveau de complexité en termes de contrôle du bras. Nous espérons faire au moins 11 degrés de liberté, dit Schwartz. Son équipe a développé des algorithmes qui peuvent dériver sept degrés de liberté de mouvement chez les singes en temps réel. Comment passerons-nous à 20 ou 30 ? Nous ne savons pas, nous aurons peut-être besoin de nouveaux algorithmes, peut-être de plus d'électrodes, dit Schwartz.

Même si les tests sont concluants, les chercheurs sont confrontés à un grand défi ; ils doivent montrer que le système de contrôle cortical invasif est nettement meilleur que les approches non invasives. Les amputés utilisant l'interface commandée par chaussures peuvent ramasser des boîtes, faire fonctionner une perceuse et même utiliser des baguettes. Si vous étiez amputé et que vous pouviez le faire avec des chaussures, auriez-vous un capteur dans votre cerveau ? demande Donoghue. Cela peut être une question de préférence personnelle et du niveau de risque et d'avantage que chaque personne est prête à tolérer. Vous pourriez, parce que c'est plus naturel et que vous pouvez marcher et faire d'autres choses.

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