Un nouvel implant pour les aveugles directement dans le cerveau

Potentiels d'action des neurones Russ Juskalian

Allí, dit Bernardeta Gómez dans son espagnol natal, montrant une grande ligne noire qui traverse une feuille de carton blanche posée à bout de bras devant elle. Là .

Ce n'est pas exactement un exploit impressionnant pour une femme de 57 ans, sauf que Gómez est aveugle. Et elle est ainsi depuis plus d'une décennie. À l'âge de 42 ans, une neuropathie optique toxique a détruit les faisceaux de nerfs qui relient les yeux de Gómez à son cerveau, la rendant totalement aveugle. Elle est même incapable de détecter la lumière.

Mais après 16 ans d'obscurité, Gómez s'est vu accorder une fenêtre de six mois pendant laquelle elle pouvait voir un semblant de très basse résolution du monde représenté par des points et des formes blanc-jaune brillants. Cela a été possible grâce à une paire de lunettes modifiée, noircie et équipée d'un minuscule appareil photo. L'engin est relié à un ordinateur qui traite un flux vidéo en direct, le transformant en signaux électroniques. Un câble suspendu au plafond relie le système à un port intégré à l'arrière du crâne de Gómez qui est relié à un implant de 100 électrodes dans le cortex visuel à l'arrière de son cerveau.

Bernardeta Gómez portant les lunettes avec les caméras. Malheureusement, elle n'a plus l'implant cérébral, qui est encore un dispositif temporaire. Russ Juskalian

Grâce à cela, Gómez a identifié les plafonniers, les lettres, les formes de base imprimées sur papier et les personnes. Elle a même joué à un simple jeu informatique de type Pac-Man directement dans son cerveau. Quatre jours par semaine pendant toute la durée de l'expérience, Gómez a été conduite dans un laboratoire par son mari voyant et connectée au système.

Le premier instant de vision de Gómez, fin 2018, a été l'aboutissement de décennies de recherche par Eduardo Fernandez, directeur de la neuro-ingénierie à l'Université de Miguel Hernandez, à Elche, en Espagne. Son objectif : rendre la vue au plus grand nombre parmi les 36 millions d'aveugles dans le monde qui souhaitent retrouver la vue. L'approche de Fernandez est particulièrement excitante car elle contourne l'œil et les nerfs optiques.

Des recherches beaucoup plus anciennes ont tenté de restaurer la vision en créant un œil artificiel ou une rétine. Cela a fonctionné, mais la grande majorité des personnes aveugles, comme Gómez, ont des dommages au système nerveux reliant la rétine à l'arrière du cerveau. Un œil artificiel ne résoudra pas leur cécité. C'est pourquoi en 2015, la société Second Sight, qui a reçu l'autorisation de vendre une rétine artificielle en Europe en 2011 - et aux États-Unis en 2013 - pour une maladie rare appelée rétinite pigmentaire, a déplacé deux décennies de travail de la rétine vers le cortex. . (Second Sight indique qu'un peu plus de 350 personnes utilisent son implant rétinien Argus II.)

Au cours d'une récente visite que j'ai faite à Elche, la palmeraie, Fernandez m'a dit que les progrès de la technologie des implants et une compréhension plus fine du système visuel humain lui avaient donné la confiance nécessaire pour aller directement au cerveau. Les informations contenues dans le système nerveux sont les mêmes que celles contenues dans un appareil électrique, dit-il

Restaurer la vue en envoyant des signaux directement au cerveau est ambitieux. Mais les principes sous-jacents ont été utilisés dans les implants électroniques humains dans la médecine traditionnelle depuis des décennies. À l'heure actuelle, explique Fernandez, nous avons de nombreux appareils électriques qui interagissent avec le corps humain. L'un d'eux est le stimulateur cardiaque. Et dans le système sensoriel, nous avons l'implant cochléaire.

Eduardo Fernández Russ Juskalian

Ce dernier appareil est la version auditive de la prothèse Fernandez construite pour Gómez : un microphone externe et un système de traitement qui transmet un signal numérique à un implant dans l'oreille interne. Les électrodes de l'implant envoient des impulsions de courant dans les nerfs voisins que le cerveau interprète comme un son. L'implant cochléaire, qui a été installé pour la première fois chez un patient en 1961, permet à plus d'un demi-million de personnes dans le monde d'avoir des conversations dans le cadre normal de la vie quotidienne.

Berna a été notre première patiente, mais au cours des deux prochaines années, nous installerons des implants chez cinq autres personnes aveugles, explique Fernandez, qui appelle Gómez par son prénom. Nous avions fait des expériences similaires sur des animaux, mais un chat ou un singe ne peut pas expliquer ce qu'il voit.

Berne pourrait.

Son expérience a demandé du courage. Il a fallu une intervention chirurgicale au cerveau sur un corps par ailleurs en bonne santé - toujours une procédure risquée - pour installer l'implant. Et encore une fois pour l'enlever six mois plus tard, puisque la prothèse n'est pas approuvée pour une utilisation à plus long terme.

Convulsions et phosphènes

J'entends Gómez avant de la voir. C'est la voix d'une femme d'une dizaine d'années plus jeune que son âge. Ses mots sont mesurés, sa cadence est parfaitement douce et son ton est chaleureux, confiant et régulier.

Quand je la vois enfin dans le laboratoire, je remarque que Gómez connaît si bien l'aménagement de l'espace qu'elle a à peine besoin d'aide pour naviguer dans le petit couloir et ses pièces attenantes. Quand je marche pour la saluer, le visage de Gómez pointe initialement dans la mauvaise direction jusqu'à ce que je dise bonjour. Quand je tends la main pour lui serrer la main, son mari guide sa main dans la mienne.

Gómez est ici pour une IRM cérébrale pour voir à quoi ressemblent les choses six mois après le retrait de son implant (ils ont l'air bien). Elle est également ici pour rencontrer un deuxième patient potentiel qui est en ville et dans la chambre lors de ma visite. À un moment donné au cours de cette réunion, alors que Fernandez explique comment le matériel se connecte au crâne, Gómez interrompt la discussion, s'incline vers l'avant et place la main de la perspective sur l'arrière de sa tête, là où se trouvait autrefois une prise métallique. Aujourd'hui, il n'y a pratiquement aucune trace du port. La chirurgie implantaire s'est déroulée si sans incident, dit-elle, qu'elle est venue au laboratoire le lendemain pour se brancher et commencer les expériences. Elle n'a eu aucun problème ni douleur depuis.

Gomez a eu de la chance. La longue histoire d'expériences menant à son implant réussi a un passé mouvementé. En 1929, un neurologue allemand du nom d'Otfrid Foerster a découvert qu'il pouvait provoquer un point blanc dans la vision d'un patient s'il collait une électrode dans le cortex visuel du cerveau pendant une intervention chirurgicale. Il a surnommé le phénomène un phosphène. Les scientifiques et les auteurs de science-fiction ont depuis imaginé le potentiel d'une prothèse visuelle caméra-ordinateur-cerveau. Certains chercheurs ont même construit des systèmes rudimentaires.

Au début des années 2000, l'hypothèse est devenue réalité lorsqu'un chercheur biomédical excentrique du nom de William Dobelle a installé une telle prothèse dans la tête d'un patient expérimental.

En 2002, l'écrivain Steven Kotler s'est rappelé avec horreur avoir vu Dobelle monter l'électricité et un patient tomber au sol en se tordant lors d'une crise. La cause était trop de stimulation avec trop de courant - quelque chose, il s'avère, que les cerveaux n'aiment pas. Les patients de Dobelle avaient également des problèmes d'infections. Pourtant, Dobelle a commercialisé son appareil volumineux comme étant presque prêt pour une utilisation quotidienne, avec une vidéo promotionnelle d'un aveugle conduisant lentement et de manière instable dans un parking fermé. Lorsque Dobelle est décédé en 2004, sa prothèse a également disparu.

Contrairement à Dobelle, qui a proclamé un remède pour les aveugles, Fernandez dit presque constamment des choses comme, je ne veux pas avoir d'espoir, et nous espérons avoir un système que les gens peuvent utiliser, mais pour le moment, nous menons juste des premières expériences. .

Mais Gómez a en fait vu.

Lit de clous

Si l'idée de base derrière la vue de Gómez - brancher une caméra sur un câble vidéo dans le cerveau - est simple, les détails ne le sont pas. Fernandez et son équipe ont d'abord dû comprendre la partie caméra. Quel type de signal la rétine humaine produit-elle ? Pour tenter de répondre à cette question, Fernandez prélève des rétines humaines sur des personnes récemment décédées, accroche les rétines à des électrodes, les expose à la lumière et mesure ce qui frappe les électrodes. (Son laboratoire entretient des relations étroites avec l'hôpital local, qui appelle parfois au milieu de la nuit lorsqu'un donneur d'organes décède. Une rétine humaine ne peut être maintenue en vie que pendant environ sept heures.) Son équipe utilise également l'apprentissage automatique pour faire correspondre le la sortie électrique de la rétine en entrées visuelles simples, ce qui les aide à écrire un logiciel pour imiter le processus automatiquement.

La prochaine étape consiste à prendre ce signal et à le transmettre au cerveau. Dans la prothèse que Fernandez a construite pour Gómez, une connexion câblée relie un neuro-implant commun connu sous le nom de réseau Utah, qui est juste plus petit que la pointe surélevée à l'extrémité positive d'une pile AAA. En saillie de l'implant se trouvent 100 minuscules pointes d'électrodes, chacune d'environ un millimètre de haut - ensemble, elles ressemblent à un lit de clous miniature. Chaque électrode peut délivrer un courant entre un et quatre neurones. Lorsque l'implant est inséré, les électrodes percent la surface du cerveau ; lorsqu'il est retiré, 100 minuscules gouttelettes de sang se forment dans les trous.

Le réseau implanté a 100 électrodes et ressemble à un minuscule lit de clous. Fernández

Fernandez a dû calibrer une électrode à la fois, en lui envoyant des courants de plus en plus forts jusqu'à ce que Gómez note quand et où elle a vu un phosphène. Obtenir les 100 électrodes composées a pris plus d'un mois.

L'avantage de notre approche est que les électrodes du réseau font saillie dans le cerveau et se trouvent à proximité des neurones, explique Fernandez. Cela permet à l'implant de produire la vue avec un courant électrique beaucoup plus faible que ce qui était nécessaire dans le système de Dobelle, ce qui réduit considérablement le risque de convulsions.

Le gros inconvénient de la prothèse - et la principale raison pour laquelle Gómez n'a pas pu garder la sienne au-delà de six mois - est que personne ne sait combien de temps les électrodes peuvent durer sans dégrader ni l'implant ni le cerveau de l'utilisateur. Le système immunitaire du corps commence à décomposer les électrodes et à les entourer de tissu cicatriciel, ce qui finit par affaiblir le signal, explique Fernandez. Il y a aussi le problème des électrodes qui fléchissent lorsque quelqu'un se déplace. À en juger par la recherche sur les animaux et un premier aperçu du tableau utilisé par Gómez, il suppose que la configuration actuelle pourrait durer deux à trois ans, et peut-être jusqu'à 10 ans avant d'échouer. Fernandez espère que quelques ajustements mineurs prolongeront cela à quelques décennies, une condition préalable essentielle pour un matériel médical qui nécessite une chirurgie cérébrale invasive.

Finalement, la prothèse, comme un implant cochléaire, devra transmettre son signal et son alimentation sans fil à travers le crâne pour atteindre les électrodes. Mais pour l'instant, son équipe a jusqu'à présent laissé la prothèse câblée pour les expériences, offrant le plus de flexibilité pour continuer à mettre à jour le matériel avant de se fixer sur une conception.

À 10 pixels sur 10 pixels, ce qui est à peu près la résolution potentielle maximale que l'implant de Gómez pourrait rendre, on peut percevoir des formes de base comme des lettres, un cadre de porte ou un trottoir. Mais les contours d'un visage, sans parler d'une personne, sont beaucoup plus compliqués. C'est pourquoi Fernandez a complété son système avec un logiciel de reconnaissance d'images pour identifier une personne dans une pièce et envoyer un motif de phosphènes au cerveau de Gómez qu'elle a appris à reconnaître.

À 25 par 25 pixels, Fernandez écrit dans une diapositive qu'il aime présenter, la vision est possible. Et parce que le réseau Utah dans sa forme actuelle est si petit et nécessite si peu d'énergie pour fonctionner, Fernandez dit qu'il n'y a aucune raison technique pour que son équipe ne puisse pas en installer quatre à six de chaque côté du cerveau, offrant une vision à 60 x 60 pixels ou plus haute. Pourtant, personne ne sait combien d'entrées le cerveau humain peut tirer de ces appareils sans être submergé et afficher l'équivalent de la neige de la télévision.

À quoi il ressemble

Fernandez et son étudiant diplômé avec un prototype d'appareil photo connecté à l'ordinateur. Russ Juskalian

Gómez m'a dit qu'elle aurait gardé l'implant installé si elle avait eu le choix et qu'elle serait en première ligne si une version mise à jour était disponible. Lorsque Fernandez a fini d'analyser son tableau, Gómez prévoit de l'encadrer et de l'accrocher au mur de son salon.

De retour au laboratoire de Fernandez, il propose de me brancher à un appareil non invasif qu'il utilise pour dépister les patients.

Assis dans le même fauteuil en cuir que Gómez occupait lors de l'expérience révolutionnaire de l'année dernière, j'attends qu'un neurologue tienne une baguette avec deux anneaux contre le côté de ma tête. L'appareil, appelé bobine papillon, est connecté à une boîte qui excite les neurones du cerveau avec une puissante impulsion électromagnétique, un phénomène appelé stimulation magnétique transcrânienne. La première explosion donne l'impression que quelqu'un choque mon cuir chevelu. Mes doigts s'enroulent involontairement dans mes paumes. Regardez, ça a marché ! dit Fernandez en riant. C'était ton cortex moteur. Maintenant, nous allons essayer de vous donner des phosphènes.

Le neurologue repositionne la baguette et règle la machine pour une série rapide d'impulsions. Cette fois quand elle tire, je ressens une intense zzp-zzp-zzp , comme si quelqu'un utilisait l'arrière de mon crâne comme heurtoir de porte. Puis, même si mes yeux sont grands ouverts, je vois quelque chose : une ligne horizontale lumineuse clignote au centre de mon champ de vision, ainsi que deux triangles scintillants remplis de ce qui ressemble à de la neige TV. La vision s'estompe aussi vite qu'elle est arrivée, laissant une brève lueur.

C'est comme ce que Berna a pu voir, dit Fernandez. Sauf que sa vision du monde était stable tant que le signal était transmis à son cerveau. Elle pouvait aussi tourner la tête et, avec ses lunettes, regarder autour d'elle. Ce que j'avais vu n'était que des fantômes internes d'un cerveau électriquement excité. Gómez pouvait en fait tendre la main et toucher le monde qu'elle regardait pour la première fois en 16 ans.

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