Quelque chose d'aussi simple que de prendre une tasse de thé nécessite énormément d'action de votre corps. Les muscles de vos bras se déplacent pour déplacer votre bras vers la tasse. Les muscles de votre doigt se déclenchent pour ouvrir votre main, puis pliez vos doigts autour de la poignée. Vos muscles de l'épaule empêchent votre bras de sortir de votre épaule et vos muscles du tronc s'assurent de ne pas basculer en raison du poids supplémentaire de la tasse. Tous ces muscles doivent tirer d'une manière précise et coordonnée, et pourtant votre seul effort conscient est la pensée: "Je sais: le thé!"

C'est pourquoi permettre à un membre paralysé de se déplacer à nouveau est si difficile. La plupart des muscles paralysés peuvent encore travailler, mais leur communication avec le cerveau a été perdue, donc ils ne reçoivent pas d'instructions pour tirer. Nous ne pouvons pas encore réparer les dommages à la moelle épinière, donc une solution consiste à le contourner et à fournir les instructions aux muscles artificiellement. Et grâce au développement de la technologie pour lire et interpréter l'activité cérébrale, ces instructions pourraient un jour venir directement de l'esprit d'un patient.

Nous pouvons faire feu sur les muscles paralysés en les stimulant avec des électrodes placées à l'intérieur des muscles ou autour des nerfs qui les alimentent, une technique connue sous le nom de stimulation électrique fonctionnelle (FES). En plus d'aider les personnes paralysées à se déplacer, il est également utilisé pour restaurer la fonction vésicale, produire une toux efficace et soulager la douleur. C'est une technologie fascinante qui peut faire une grande différence dans la vie des personnes atteintes d'une lésion de la moelle épinière.

Dimitra Blana et ses collègues de Keele travaillent sur la façon de faire correspondre cette technologie avec l'ensemble complexe de instructions nécessaires pour faire fonctionner un bras. Si vous voulez prendre cette tasse de thé, quels muscles ont besoin de feu, quand et de combien? Les instructions de tir sont compliquées, et pas seulement à cause du grand nombre de muscles du tronc, de l'épaule, du bras et du doigt impliqués. Lorsque vous buvez lentement votre thé, ces instructions changent, car le poids de la tasse change. Pour faire quelque chose de différent, comme gratter votre nez, les instructions sont complètement différentes.

Au lieu d'essayer différents modèles de tir sur les muscles paralysés dans l'espoir d'en trouver un qui fonctionne, vous pouvez utiliser modèles informatiques du système musculo-squelettique pour les calculer. Ces modèles sont des descriptions mathématiques de la façon dont les muscles, les os et les articulations agissent et interagissent pendant le mouvement. Dans les simulations, vous pouvez rendre les muscles plus forts ou plus faibles, «paralysés» ou «stimulés de l'extérieur». Vous pouvez tester différents modèles de cuisson rapidement et en toute sécurité, et vous pouvez faire en sorte que les modèles ramassent leurs tasses de thé encore et encore - parfois avec plus de succès que d'autres.

Modéliser les muscles

Pour tester la technologie, l'équipe de Keele travaille avec le Cleveland FES Centre aux États-Unis, où ils implantent jusqu'à des électrodes 24 dans les muscles et les nerfs des participants à la recherche. Ils utilisent la modélisation pour décider où placer les électrodes parce qu'il y a plus de muscles paralysés que d'électrodes dans les systèmes FES actuels.

Si vous devez choisir, est-il préférable de stimuler le subscapularis ou le supraspinatus? Si vous stimulez le nerf axillaire, devriez-vous placer l'électrode avant ou après la branche au teres minor? Pour répondre à ces questions difficiles, ils exécutent des simulations avec différents ensembles d'électrodes et choisissez celui qui permet aux modèles informatiques de faire les mouvements les plus efficaces.

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Actuellement, l'équipe travaille sur l'épaule, qui est stabilisée par un groupe de muscles appelé la coiffe des rotateurs. Si vous obtenez les instructions de tir pour le bras mal, il pourrait atteindre pour la cuillère à soupe au lieu du couteau à beurre. Si les instructions sur la coiffe des rotateurs sont erronées, le bras pourrait sortir de l'épaule. Ce n'est pas un bon look pour les modèles informatiques, mais ils ne se plaignent pas. Les participants à la recherche seraient moins indulgents.

Savoir comment activer les muscles paralysés pour produire des mouvements utiles comme la préhension n'est que la moitié du problème. Nous devons également savoir quand activer les muscles, par exemple lorsque l'utilisateur veut prendre un objet. Une possibilité est de lire cette information directement du cerveau. Récemment, chercheurs aux États-Unis utilisé un implant pour écouter des cellules individuelles dans le cerveau d’un individu paralysé. Étant donné que différents mouvements sont associés à différents modèles d'activité cérébrale, le participant a pu sélectionner l'un des six mouvements préprogrammés générés par la stimulation des muscles de la main.

Lire le cerveau

C'était un pas en avant passionnant pour le domaine des prothèses neurales, mais de nombreux défis demeurent. Idéalement, les implants cérébraux doivent durer plusieurs dizaines d'années. Actuellement, il est difficile d'enregistrer les mêmes signaux même sur plusieurs semaines. Ces systèmes doivent donc être réétalonnés régulièrement. En utilisant nouveaux modèles d'implants or différents signaux du cerveau peut améliorer la stabilité à long terme.

En outre, les implants n'écoutent qu'une petite partie des millions de cellules qui contrôlent nos membres, de sorte que la gamme des mouvements qui peuvent être lus est limitée. cependant, contrôle cérébral des membres robotiques avec plusieurs degrés de liberté (mouvement, rotation et préhension) a été atteint et les capacités de cette technologie avancent rapidement.

Enfin, les mouvements doux et sans effort que nous tenons habituellement pour acquis sont guidés par un retour sensoriel riche qui nous indique où sont nos bras dans l'espace et quand nos doigts sont en contact avec des objets. Cependant, ces signaux peuvent également être perdus après une blessure, les chercheurs travaillent sur les implants cérébraux qui peuvent un jour restaurer la sensation ainsi que le mouvement.

Certains scientifiques spéculent que la technologie de lecture du cerveau pourrait aider les personnes valides à communiquer plus efficacement avec les ordinateurs, les téléphones mobiles et même directement aux autres cerveaux. Cependant, cela reste le domaine de la science-fiction alors que le contrôle du cerveau pour les applications médicales devient rapidement une réalité clinique.

À propos des auteurs

Dimitra Blana, chercheur en génie biomédical, Université Keele

Andrew Jackson, Senior Research Fellow de Wellcome Trust, Université de Newcastle

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

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