Les puces cérébrales donnent de nouveaux pouvoirs aux patients paralysés

Les neuroscientifiques rêvent de créer des prothèses neurales qui permettraient aux patients paralysés de reprendre le contrôle de leurs bras et de leurs jambes. Bien que cet objectif soit encore loin, des chercheurs de l'Université Brown et du Massachusetts General Hospital signalent une avancée prometteuse.

Matthew Nagle, un homme de 25 ans qui a été paralysé après une blessure au couteau en 2001, a été la première personne à tester un réseau d'électrodes implanté chirurgicalement. (Crédit : Josué Paul.)

Dans une étude publiée dans la revue La nature Cette semaine, les chercheurs décrivent comment deux patients paralysés avec un appareil neuronal implanté chirurgicalement ont réussi à contrôler un ordinateur et, dans un cas, un bras robotique – en utilisant uniquement leur esprit.

[Cliquez ici pour voir les vidéos du patient contrôler un curseur d'ordinateur et un main prothétique .]

C'est la première fois que de tels résultats sont obtenus avec des implants neuronaux chez l'homme. Les chercheurs affinent maintenant le système expérimental en un produit commercial – un produit qui pourrait aider les patients dans leur vie quotidienne. Ils prévoient de rendre l'appareil sans fil et entièrement implantable et d'améliorer la vitesse et la complexité des mouvements que les patients utilisant l'implant peuvent effectuer.

C'est une étude historique car elle montre que même des années après une blessure, vous pouvez toujours enregistrer des signaux utiles du cerveau et les utiliser pour conduire un appareil, dit Joseph Pancrazio , directeur de programme de recherche en ingénierie neuronale aux National Institutes for Neurological Disorders and Stroke de Bethesda, dans le Maryland. Ce groupe a vraiment repoussé les frontières.

Lors de lésions de la moelle épinière et de certains types d'accidents vasculaires cérébraux, le système de relais d'informations entre le cerveau et les muscles est perturbé. Les dispositifs neuronaux, tels que celui utilisé dans l'étude, visent à enregistrer et à traiter les signaux existants et à les utiliser pour contrôler un curseur d'ordinateur, un bras robotique ou même un membre paralysé. Les chercheurs de Brown/MGH ont implanté pour la première fois une puce cérébrale chez un humain en juin 2004. Et bien qu'il y ait eu des signes de succès depuis lors, le La nature est la première publication à comité de lecture décrivant en détail ce que les patients paralysés peuvent faire avec l'implant. ( Examen de la technologie a rendu compte du travail de Donoghue avec Nagle l'année dernière, dans Implanting Hope, mars 2005.)

L'interface cerveau-ordinateur utilisée dans l'étude, réalisée par Cybercinétique Neurotechnology Systems à Foxborough, MA, se compose d'une minuscule puce de silicium contenant 100 électrodes qui enregistrent les signaux de centaines de neurones dans le cortex moteur. Un algorithme informatique traduit ensuite ce schéma d'activité complexe en un signal utilisé pour contrôler un appareil externe.

Le premier patient implanté avec le dispositif, un homme de 25 ans qui a été paralysé après une blessure au couteau en 2001, a appris avec succès à contrôler un curseur d'ordinateur, se déplaçant habilement à travers un programme de courrier électronique et utilisant l'ordinateur pour allumer un téléviseur et changer de chaîne. Lorsque l'appareil a été connecté à une main robotique, il a rapidement appris à contrôler la main, en ramassant et en laissant tomber un bonbon dans la main d'un technicien. C'était excitant parce qu'il a compris cela très rapidement - environ dix minutes, dit John Donoghue , scientifique principal sur le projet, fondateur de Cyberkinetics et neuroscientifique à l'Université Brown à Providence, RI. (Cliquez ici pour voir la vidéo du patient contrôlant un curseur d'ordinateur et une main prothétique.)

Deux autres patients de l'essai, tous deux atteints de différents types de blessures, ont également appris à manipuler un programme informatique, bien qu'ils n'aient pas encore essayé le bras robotique. Les résultats montrent qu'il est possible d'utiliser ces appareils dans un environnement réel, mais nous avons encore beaucoup de chemin à parcourir avant une utilisation quotidienne, explique Donohue.

Les neuroscientifiques utilisent des dispositifs similaires sur des singes et d'autres animaux depuis plusieurs années, mais l'essai de Donohue est le premier à tester des réseaux d'électrodes implantés chirurgicalement chez des patients humains. C'est un grand pas pour introduire cette technologie dans l'homme, dit Stephen Scott , neuroscientifique à l'Université Queen's de Kingston, en Ontario, qui a rédigé un commentaire accompagnant l'article. Cela a été assez réussi pour une première tentative - les patients ont montré des capacités impressionnantes.

Bien que les résultats soient prometteurs, les experts avertissent que la technologie n'en est qu'à ses débuts. C'est encore loin d'être un dispositif utile qui augmente réellement la qualité de vie de ce patient, dit Andrew Schwartz , un neuroscientifique de l'Université de Pittsburg qui étudie des dispositifs similaires chez les animaux. La même technologie fonctionne mieux chez les singes, ce qui suggère que davantage de travail doit être fait dans la conception des électrodes d'enregistrement et des filtres logiciels, dit-il.

Actuellement, les dispositifs d'assistance disponibles pour les patients paralysés, tels que les programmes informatiques activés par la voix ou les mouvements oculaires, reposent sur un signal secondaire pour exécuter la commande et nécessitent à la fois une période d'entraînement et un niveau élevé de concentration. Un dispositif implanté a le potentiel d'aider les patients d'une manière beaucoup plus naturelle. Il exploite toutes les informations que le cerveau utilise pour déplacer [les muscles], explique Donoghue. Parce qu'il imite le système de traitement normal du cerveau, les patients peuvent contrôler un curseur et parler en même temps, dit-il.

Donoghue et ses collègues adaptent maintenant le système expérimental en un appareil pour une utilisation plus large. Le système actuel comporte des fils reliant l'implant à un ordinateur externe à travers le crâne, ce qui comporte un risque d'infection. Les chercheurs prévoient de miniaturiser le matériel et de le rendre sans fil, afin que l'ensemble du système puisse être implanté.

L'équipe développe également un nouveau logiciel d'analyse qui, espère-t-elle, permettra des types de mouvements plus sophistiqués. Actuellement, les patients peuvent naviguer dans un programme de courrier électronique ou effectuer des mouvements grossiers avec un bras robotique ; mais ils ne peuvent pas effectuer des tâches plus complexes, comme utiliser le bras robotisé pour taper sur un clavier ou manger un bol de soupe.

Pour accomplir des mouvements aussi compliqués, les scientifiques doivent d'abord créer un meilleur décodeur, l'algorithme qui interprète les signaux neuronaux du cerveau. Lorsque le cerveau se prépare à déplacer, disons, une main de gauche à droite, des millions de neurones dans le cortex moteur du cerveau se déclenchent d'une manière spécifique. Les chercheurs génèrent le décodeur en demandant aux patients d'imaginer bouger leur main en cercle, ce qui déclenche le déclenchement des neurones comme si le membre paralysé bougeait. Un programme informatique enregistre et traite ensuite ces informations, créant finalement un filtre qui traduit l'activité neuronale ultérieure en actions souhaitées.

Mais le filtre a toujours une capacité beaucoup plus limitée à traduire l'information que le cerveau. Il utilise les données de centaines de neurones plutôt que de millions et collecte des informations à partir d'une seule partie du cerveau. Donohue et ses collègues développent maintenant différents types d'algorithmes pour voir lesquels sont les plus adaptables et utilisent au mieux les signaux neuronaux disponibles.

Nous pouvons tester différents algorithmes et les patients peuvent nous dire lesquels sont les plus faciles ou les plus naturels, explique Leigh Hochberg, neurologue au Massachusetts General Hospital et auteur principal de l'étude. Je soupçonne que si nous pouvons continuer à améliorer le décodage à partir d'une petite zone et peut-être enregistrer à partir de plusieurs zones du cerveau, nous pourrions être en mesure d'améliorer encore la variété des systèmes de contrôle disponibles pour les gens.

D'autres scientifiques développent également des moyens de rendre les interfaces cérébrales beaucoup plus rapides. Pour un patient, cela pourrait faire la différence entre avoir du mal à écrire un e-mail et en composer un avec peu d'effort. Travailler avec des primates, Krishna Shenoy et ses collègues de l'Université de Stanford à Stanford, en Californie, ont pu quadrupler les taux de transfert d'informations en utilisant un implant similaire, mais en enregistrant à partir d'une partie différente du cerveau. Pour un être humain, cela se traduirait par la saisie de 15 mots par minute au lieu de quatre.

Donoghue envisage finalement d'adapter son système pour réaliser un exploit encore plus grand. L'équipe collabore avec des scientifiques de la Case Western Reserve University à Cleveland, OH, pour créer un appareil qui utilise les signaux du cerveau pour stimuler électriquement les muscles paralysés, permettant potentiellement aux patients de bouger leurs membres.

Sans surprise, c'est ce que les gens veulent le plus. Lorsque Donoghue a demandé à un patient s'il préférait pouvoir faire des mouvements sophistiqués avec un bras prothétique ou des mouvements grossiers avec son propre bras, il a choisi cette dernière option. L'idée de réanimer son propre corps était beaucoup plus importante que la sophistication du mouvement, explique Donoghue.

cacher