Recâbler le cerveau

Une paire de singes partiellement paralysés a retrouvé la capacité de bouger leurs poignets lorsque les chercheurs ont connecté des neurones individuels directement aux muscles des bras du singe, selon une étude publiée en ligne dans La nature mercredi.

Bouger un muscle : Les singes paralysés ont retrouvé la capacité de bouger leurs poignets lorsque leur système nerveux a été recâblé. En connectant des cellules cérébrales directement aux cellules musculaires via un ordinateur qui traduit l'activité cérébrale en une secousse électrique, les chercheurs ont contourné la connexion défectueuse afin que les singes puissent déplacer leurs poignets auparavant paralysés pour manipuler un curseur dans une boîte à l'écran.

Cette approche serait très pertinente pour les patients atteints de lésions de la moelle épinière, dit Université du nord-ouest neuroscientifique Lee Miller , qui n'a pas participé aux travaux.

Les chercheurs, dirigés par Eberhard Fetz , professeur de physiologie et de biophysique à la Université de Washington , a temporairement paralysé le bras de chaque singe. Ensuite, ils ont redirigé les signaux cérébraux autour de la voie nerveuse bloquée en faisant passer des fils à partir d'un seul neurone du cortex moteur – la zone cérébrale responsable du mouvement – ​​via un ordinateur et dans un muscle du bras. Chaque fois que le neurone se déclenchait au-dessus d'un certain taux, l'ordinateur traduisait le signal en une décharge électrique dans le muscle du bras, provoquant sa contraction.

Pour tester le recâblage, les chercheurs ont demandé à chaque singe de jouer à un jeu vidéo simple. En déplaçant son poignet, le singe pouvait manipuler un curseur sur un écran d'ordinateur. Déplacer le curseur dans une case sur le côté de l'écran a valu au singe une récompense. Même si la cellule cérébrale recâblée a été choisie au hasard, les singes ont rapidement appris à bouger leurs poignets paralysés.

Nous avons constaté, de manière remarquable, que presque tous les neurones que nous avons testés dans le cerveau pouvaient être utilisés pour contrôler ce type de stimulation, explique Chet Moritz, chercheur principal à l'Université de Washington et coauteur de l'article. Même les neurones qui n'étaient pas liés au mouvement du poignet avant le blocage nerveux pouvaient être contrôlés et cooptés.

Normalement, le mouvement du bras, même la contraction d'un seul muscle du bras, ne résulterait pas de l'activation d'un seul neurone mais de l'action coordonnée de nombreux neurones du cortex moteur. Ces neurones initieraient un signal électrique qui se propagerait le long de la moelle épinière et à travers les nerfs périphériques pour déclencher des mouvements de bras adaptés à l'intention du singe.

D'autres groupes ont enregistré ces schémas complexes de déclenchement de neurones et ont utilisé des algorithmes informatiques pour les traduire en action, par exemple en déplaçant un curseur d'ordinateur. Au lieu de cela, le groupe de l'Université de Washington a lié un seul neurone à un seul muscle. Notre approche consiste à créer la connectivité brute entre des neurones uniques dans le cerveau et les muscles, ou des groupes de muscles, et de laisser le singe apprendre à utiliser cette connectivité.

L'utilisation d'un seul neurone a ses avantages, explique Moritz. Traduire la cadence de tir d'une cellule en un choc électrique est un calcul simple, facilement réalisable avec un appareil de la taille d'un téléphone portable. Traduire des mesures simultanées en une suite de mouvements musculaires coordonnés prend beaucoup plus de puissance de calcul.

Mais pour que l'approche à neurone unique soit utile à un patient paralysé, elle devra être étendue avec succès. Contracter un muscle du bras offre peu de récompense pratique ; des mouvements comme atteindre et saisir nécessitent de nombreux muscles pour travailler de concert. Les chercheurs ont déjà pris des mesures dans ce sens. Tout d'abord, ils ont montré qu'une seule cellule pouvait faire travailler deux muscles différents : une cadence de tir élevée déclenchait la flexion du poignet, tandis qu'une cadence de tir faible l'amenait à s'étendre. Ensuite, ils ont connecté deux connexions redirigées en même temps, avec un neurone connecté au muscle d'extension du poignet et un autre au muscle de flexion du poignet.

Mais Andrew Schwartz , professeur de neurobiologie à la Université de Pittsburgh , est sceptique. Un bras mobile, dit Schwartz, est un système mécanique très compliqué. Tout mouvement de bras sophistiqué nécessite non seulement un grand nombre de muscles précisément coordonnés agissant sur plusieurs articulations complexes, mais également la propagation de forces le long du membre. Si votre intention est de générer un mouvement, vous devez en quelque sorte calculer l'effet de toutes ces forces sur le bras, explique Schwartz. Il ne s'agit pas simplement de « Activez un muscle et le bras ira où vous voulez. » Il y a beaucoup de mathématiques impliquées.

Selon le groupe de l'Université de Washington, il pourrait être possible de contourner la question de savoir comment générer des mouvements complexes en connectant une seule cellule cérébrale directement à une région spécifique de la moelle épinière. . Stimuler un seul endroit de la moelle épinière activera souvent 10 à 15 muscles différents dans un équilibre précis, explique Moritz.

Au-delà des lacunes théoriques de la stratégie du neurone unique, il existe un certain nombre d'obstacles technologiques à surmonter avant qu'elle ne puisse être utilisée chez les patients. Les lectures d'électrodes d'une cellule cérébrale individuelle peuvent se dégrader avec le temps, détruisant potentiellement la connexion redirigée. En conséquence, dit Moritz, toute configuration à long terme aurait besoin d'un certain degré de redondance.

De plus, ajoute-t-il, le système serait idéalement entièrement implantable. Chaque fois que les fils dépassent de la peau, comme ils l'ont fait dans les expériences sur les singes, ils présentent des risques d'infection et de perturbation. Le groupe prévoit de s'attaquer à ce problème avec des composants miniaturisés et la technologie sans fil.

Parce que leur approche nécessite relativement peu de puissance de calcul, dit Moritz, nous pensons que nous pourrions être un pas de plus vers des systèmes entièrement implantables à faible consommation.

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