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Fusionner l'homme et la machine en toute transparence
Un nouvel implant ensemencé de cellules musculaires pourrait mieux intégrer les membres prothétiques au corps, permettant aux amputés un meilleur contrôle sur les appendices robotiques. La construction, développée à l'Université du Michigan, se compose de minuscules coupelles, fabriquées à partir d'un polymère électriquement conducteur, qui s'adaptent aux terminaisons nerveuses et attirent les nerfs sectionnés. Les signaux électriques provenant du nerf peuvent ensuite être traduits et utilisés pour déplacer le membre.
Interface vivante : Les cellules musculaires (illustrées ici) sont cultivées sur un échafaudage biologique. Les nerfs sectionnés restant du membre perdu se connectent aux cellules musculaires de l'interface, qui transmettent des signaux électriques pouvant être utilisés pour contrôler le bras artificiel.
Cela semble être un moyen élégant de contrôler une prothèse avec un mouvement fin, explique Rutledge Ellis-Behnke, un scientifique du MIT qui n'a pas été impliqué dans la recherche. Plutôt que d'avoir un gros morceau de plastique stupide attaché au bras, vous pourriez en fait avoir un outil intégré qui donne l'impression qu'il fait partie du corps.
Aujourd'hui, le mouvement de la plupart des prothèses est difficile et limité. Les membres sont contrôlés par le mouvement conscient du muscle restant - le porteur peut contracter un muscle de la poitrine pour déplacer le bras dans une certaine direction, par exemple. Le câblage des nerfs résiduels directement aux membres artificiels offrirait un moyen plus intuitif de les contrôler. Mais les efforts pour construire des interfaces nerveuses périphériques ont été entravés en grande partie par la croissance du tissu cicatriciel, ce qui limite l'utilité et la durabilité des dispositifs implantés.
La méthode la plus efficace pour contrôler une prothèse à ce jour est une intervention chirurgicale dans laquelle les nerfs qui étaient auparavant attachés aux muscles d'un bras et d'une main perdus sont transplantés dans la poitrine. Lorsque le porteur pense à bouger la main, les muscles de la poitrine se contractent et ces signaux sont utilisés pour contrôler le membre. Bien qu'il s'agisse d'une grande amélioration par rapport aux méthodes existantes, cette approche offre toujours un niveau de contrôle limité : seuls cinq nerfs environ peuvent être transplantés dans la poitrine.
La nouvelle interface, développée par un chirurgien plasticien Paul Cederna et ses collègues, s'appuie sur ce concept, en utilisant des cellules musculaires transplantées comme cibles plutôt que des muscles intacts. Une fois qu'un membre est sectionné, les nerfs qui s'y rattachent à l'origine continuent de germer, à la recherche d'un nouveau muscle avec lequel se connecter. (Ce processus biologique peut parfois créer des enchevêtrements douloureux de tissu nerveux, appelés névromes, à l'extrémité du membre sectionné.) Le nerf envoie constamment des signaux en aval pour dire à la main quoi faire, même si la main n'est pas là, dit Cederna. Nous pouvons interpréter ces signaux et les utiliser pour poser une prothèse.
L'interface consiste en une petite structure en forme de coupe d'environ un dixième de millimètre de diamètre qui est implantée chirurgicalement à l'extrémité du nerf, relayant à la fois les signaux moteurs et sensoriels du nerf à la prothèse. À l'intérieur de la coupe se trouve un échafaudage de tissu biologique ensemencé de cellules musculaires. Étant donné que les nerfs moteurs et sensoriels établissent des connexions avec les muscles des tissus sains, les cellules musculaires constituent une cible naturelle pour les terminaisons nerveuses errantes. Le nerf sectionné se développe dans la coupe et se connecte aux cellules, transmettant les signaux électriques du cerveau. Parce qu'elle est recouverte d'un polymère électriquement actif, la coupelle agit comme un fil pour capter les signaux électriques et les transmettre à un membre robotique. L'équipe de Cederna ne développe pas de prothèses elle-même, mais il dit que les signaux pourraient être transmis via la technologie sans fil existante.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont testé l'interface chez des rongeurs avec un nerf périphérique sectionné, montrant que le nerf se développera dans la coupe et établira des connexions avec les cellules musculaires. S'ils peuvent garder l'extrémité du neurone intacte dans cette zone, c'est une avancée majeure, déclare Ellis-Behnke. Les nerfs des rats sont à peu près de la même taille que ceux qui seraient ciblés chez les humains. La recherche a été présentée aujourd'hui lors d'une conférence de la Collège américain des chirurgiens à Chicago.
L'appareil peut également renvoyer la sensation dans les nerfs sensoriels, qui transmettent la chaleur, la pression et d'autres informations de la peau au cerveau. Comme les nerfs moteurs, les nerfs sensitifs établissent des connexions avec les cellules musculaires de la cupule. Lors de tests sur des rongeurs, les scientifiques ont coiffé deux nerfs chez un seul animal, un moteur et un sensitif. Alors que le rat n'avait pas de prothèse, les scientifiques ont pu montrer que l'implant pouvait relier le nerf sectionné, transmettant des messages neuronaux à travers celui-ci ; chatouiller le pied du rat a déclenché l'activité des cellules musculaires dans l'implant.
La capacité sensorielle est un élément manquant majeur des prothèses d'aujourd'hui - le retour tactile, de pression et de température est vital pour ramasser un œuf fragile ou une casserole chaude. En fin de compte, les membres prothétiques pourraient être équipés de capteurs de chaleur ou de pression qui pourraient transmettre ces informations aux cellules musculaires de l'interface et permettre à ces informations d'être envoyées au cerveau.
La recherche en est encore à ses débuts et un certain nombre de questions restent sans réponse. Nous devons savoir combien de temps il faut pour que les connexions deviennent fonctionnelles, et quelles seront la durabilité et la robustesse, dit Joseph Pancrazio , directeur de programme à l'Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux, qui n'a pas participé à la recherche. Mais ça a l'air très excitant. La recherche est financée par le ministère de la Défense.
L'un des principaux problèmes rencontrés à ce jour avec les implants neuraux a été la stabilité des dispositifs, car les électrodes implantées sont souvent recouvertes de tissu cicatriciel et cessent de fonctionner. Jusqu'à présent, pendant les six mois où les scientifiques ont évalué les interfaces chez les rats, il n'y a eu aucun signe de cicatrices. Bien que les scientifiques ne sachent pas pourquoi, il se peut que la cupule protège l'implant des réactions inflammatoires qui conduisent à la cicatrisation, ou que le fait de fournir une cible pour les cellules nerveuses atténue complètement ces réactions en recréant un environnement plus normal pour le nerf sectionné. Les chercheurs surveillent désormais quotidiennement les implants pour déterminer leur durabilité dans le temps.
Une découverte précoce particulièrement prometteuse, cependant, est que le tissu entourant l'interface développe de nouveaux vaisseaux sanguins pour nourrir les cellules musculaires implantées, leur fournissant les nutriments dont elles ont besoin pour survivre.
On ne sait pas encore combien de ces patients atteints de capes nerveuses auraient besoin pour un contrôle adéquat sur un membre artificiel sophistiqué. Une personne qui a perdu son bras au niveau des épaules, par exemple, aurait besoin de suffisamment de capes nerveuses pour fléchir et étendre le coude, le poignet et les doigts, ainsi que ceux des nerfs sensoriels. La seule limite, dit Cederna, sera la haute technologie qu'ils peuvent apporter aux prothèses.