Les scientifiques ont utilisé une «interface cerveau-colonne vertébrale» sans fil pour contourner les blessures de la moelle épinière chez une paire de macaques rhésus, rétablissant le mouvement de marche intentionnel vers une jambe paralysée temporairement.

Les chercheurs disent que c'est la première fois qu'une prothèse neurale a été utilisée pour restaurer le mouvement de la marche directement aux jambes des primates non humains.

"Le système que nous avons développé utilise des signaux enregistrés à partir du cortex moteur du cerveau pour déclencher une stimulation électrique coordonnée des nerfs de la colonne vertébrale responsables de la locomotion", explique David Borton, professeur adjoint d'ingénierie à l'Université Brown et co-auteur principal. de l'étude. "Avec le système allumé, les animaux dans notre étude ont eu une locomotion presque normale."

Le travail pourrait aider à développer un système similaire conçu pour les humains qui ont eu des lésions de la moelle épinière.

Rétablir la communication

"Il existe des preuves suggérant qu'un système de stimulation de la colonne vertébrale contrôlé par le cerveau peut améliorer la réhabilitation après une lésion de la moelle épinière", explique Borton. "C'est un pas en avant vers d'autres tests de cette possibilité."

Grégoire Courtine, professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) qui a dirigé la collaboration, a entamé des essais cliniques en Suisse pour tester la partie vertébrale de l'interface. Il met en garde: "Il y a de nombreux défis à relever et il faudra peut-être plusieurs années avant que toutes les composantes de cette intervention puissent être testées chez les gens."

La marche est possible en raison d'une interaction complexe entre les neurones du cerveau et de la moelle épinière. Les signaux électriques provenant du cortex moteur du cerveau descendent jusqu'à la région lombaire de la moelle épinière inférieure, où ils activent les motoneurones qui coordonnent le mouvement des muscles responsables de l'extension et de la flexion de la jambe.

Une lésion de la colonne vertébrale supérieure peut couper la communication entre le cerveau et la moelle épinière inférieure. Le cortex moteur et les neurones spinaux peuvent tous deux être pleinement fonctionnels, mais ils sont incapables de coordonner leur activité. Le but de l'étude était de rétablir une partie de cette communication.

L'interface cerveau-colonne vertébrale utilise un réseau d'électrodes de la taille d'une pilule implanté dans le cerveau pour enregistrer les signaux provenant du cortex moteur. La technologie des capteurs a été développée en partie pour une utilisation expérimentale chez l'homme par la collaboration BrainGate, une équipe de recherche comprenant Brown, l'Université Case Western Reserve, le Massachusetts General Hospital, le Providence VA Medical Center et la Stanford University.

La technologie est utilisée dans le cadre d'essais cliniques pilotes en cours et a déjà été utilisée étude dirigé par le neuro-ingénieur marron Leigh Hochberg dans lequel les personnes atteintes de tétraplégie étaient capables de faire fonctionner un bras robotique simplement en pensant au mouvement de leur propre main.

Un neurocapteur sans fil, développé dans le laboratoire de neuro-ingénierie du professeur Brown Arto Nurmikko par une équipe comprenant Borton, envoie sans fil les signaux recueillis par le cerveau à un ordinateur qui les décode et les renvoie sans fil à un stimulateur vertébral électrique implanté dans le lombaire. colonne vertébrale, en dessous de la zone de la blessure. Cette stimulation électrique, délivrée dans des modèles coordonnés par le cerveau décodé, signale aux nerfs spinaux qui contrôlent la locomotion.

Pour calibrer le décodage des signaux du cerveau, les chercheurs ont implanté le capteur cérébral et l'émetteur sans fil chez des macaques sains. Les signaux relayés par le capteur pourraient alors être cartographiés sur les mouvements des jambes des animaux. Ils ont montré que le décodeur était capable de prédire avec précision les états cérébraux associés à l'extension et à la flexion des muscles de la jambe.

Le sans-fil est crucial

La capacité à transmettre des signaux du cerveau sans fil était essentielle à ce travail, dit Borton. Les systèmes de détection du cerveau par câble limitent la liberté de mouvement, ce qui limite l'information que les chercheurs sont en mesure de recueillir au sujet de la locomotion.

"Faire cela sans fil nous permet de cartographier l'activité neuronale dans des contextes normaux et au cours d'un comportement naturel", explique Borton. "Si nous visons vraiment les neuroprothèses qui peuvent un jour être déployées pour aider les patients humains pendant les activités de la vie quotidienne, de telles technologies d'enregistrement non connectées seront essentielles."

Pour le travail en cours, publié dans Nature, Les chercheurs ont combiné leur compréhension de la façon dont les signaux du cerveau influencent la locomotion avec les cartes de la colonne vertébrale, développées par le laboratoire de Courtine à l'EPFL, qui a identifié les points chauds neuraux dans la colonne vertébrale responsables du contrôle locomoteur. Cela a permis à l'équipe d'identifier les circuits neuronaux qui devraient être stimulés par l'implant rachidien.

Avec ces pièces en place, les chercheurs ont ensuite testé l'ensemble du système sur deux macaques avec des lésions qui couvraient la moitié de la moelle épinière dans leur colonne vertébrale thoracique. Macaques avec ce type de blessure regagnent généralement le contrôle fonctionnel de la jambe touchée sur une période d'un mois ou deux, les chercheurs disent. L'équipe a testé son système dans les semaines qui ont suivi la blessure, alors qu'il n'y avait toujours aucun contrôle volontaire sur la jambe touchée.

Les résultats montrent qu'avec le système allumé, les animaux ont commencé à bouger spontanément les jambes tout en marchant sur un tapis roulant. Des comparaisons cinématiques avec des témoins sains ont montré que les macaques lésés, à l'aide d'une stimulation contrôlée par le cerveau, étaient capables de produire des schémas locomoteurs presque normaux.

Tout en démontrant que le système fonctionne chez un primate non humain est une étape importante, les chercheurs ont souligné que beaucoup plus de travail doit être fait pour commencer à tester le système chez l'homme. Ils ont également souligné plusieurs limites de l'étude.

Par exemple, alors que le système utilisé dans cette étude a réussi à transmettre les signaux du cerveau à la colonne vertébrale, il n'a pas la capacité de renvoyer des informations sensorielles au cerveau. L'équipe a également été incapable de tester la pression que les animaux pouvaient appliquer sur la jambe touchée. Alors qu'il était clair que le membre avait un certain poids, il n'était pas clair à partir de ce travail combien.

"Dans une étude translationnelle complète, nous voudrions faire plus de quantification sur la façon dont l'animal est équilibré pendant la marche et mesurer les forces qu'ils sont capables d'appliquer", dit Borton.

Malgré les limites, la recherche ouvre la voie à de futures études chez les primates et, à un moment donné, potentiellement comme une aide à la réhabilitation chez l'homme.

«Il y a un adage en neuroscience selon lequel les circuits qui tirent ensemble sont reliés entre eux», dit Borton. "L'idée ici est qu'en engageant le cerveau et la moelle épinière ensemble, nous pourrions être en mesure d'améliorer la croissance des circuits pendant la réadaptation. C'est l'un des principaux objectifs de ce travail et un objectif de ce domaine en général. "

Le financement provient du septième programme-cadre de la Communauté européenne, de la bourse de démarrage de la Fondation internationale pour la recherche en paraplégie du Conseil européen de la recherche, du Centre Wyss à Genève Bourse Marie Curie, bourses Marie Curie COFUND EPFL, bourse Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Programme, Centre national de compétences en recherche en robotique programme Sinergia, Coopération scientifique et technologique sino-suisse et Fondation nationale suisse de la science.

La source: Université Brown

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