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5 Juil, 2024

Les prothèses pilotées par le système nerveux offrent un meilleur contrôle aux amputés

Les prothèses pilotées par le système nerveux offrent un meilleur contrôle aux amputés

Une nouvelle technique chirurgicale permet aux personnes amputées de marcher plus normalement (largeur de l’image originale augmentée grâce à l’IA)

Une nouvelle technique chirurgicale pour les amputations sous le genou permet de conserver la capacité d’une personne à recevoir un retour sensoriel des muscles restants. De nouvelles recherches ont montré que le fait d’avoir une prothèse de jambe pilotée par le propre système nerveux d’une personne amputée lui permet de marcher de manière beaucoup plus naturelle.

Bucky » Barnes de Marvel, Furiosa de Mad Max : Fury Road et Gazelle de la franchise Kingsman. Qu’ont en commun ces personnages de films de fiction ? Des membres bioniques qu’ils sont capables de manier avec une grande précision. Malheureusement, la vie réelle n’a pas rattrapé l’image hollywoodienne des prothèses ultra-réactives.

Les prothèses de jambes actuelles ne fournissent pas de retour d’information au système nerveux comme le ferait un membre intact, mais s’appuient sur des capteurs et des contrôleurs robotiques qui se déplacent en fonction d’un algorithme de marche prédéfini. Mais de nouvelles recherches menées par le MIT en collaboration avec le Brigham and Women’s Hospital nous rapprochent du type de contrôle prothétique que nous n’avons vu jusqu’à présent que dans les films.

« Il s’agit de la première étude prothétique de l’histoire qui montre une prothèse de jambe sous modulation neuronale complète, où une démarche biomimétique émerge », a déclaré Hugh Herr, professeur d’arts et de sciences des médias au MIT Media Lab, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT, membre associé de l’Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau du MIT et auteur correspondant de l’étude.

La marche est un processus complexe de neuro-mécanique, une interaction entre les nerfs et les muscles. Du côté des nerfs, les neurones afférents transportent les informations sensorielles de la peau (ou d’autres organes) le long de la moelle épinière jusqu’au cerveau, où les neurones d’association décident de la réponse à apporter. Les neurones efférents envoient ensuite des informations du cerveau vers la moelle épinière et les muscles, leur indiquant le mouvement à effectuer.

Enfin, il y a la proprioception, qui est la capacité du corps à percevoir le mouvement, l’action et l’emplacement, c’est-à-dire la conscience du corps dans l’espace. Dans les membres intacts, la proprioception est facilitée par les capteurs biologiques des paires de muscles qui agissent en opposition l’un à l’autre, en se contractant (agoniste) et en s’étirant (antagoniste) à tour de rôle. Dans les amputations classiques sous le genou, ces muscles sont sectionnés, ce qui perturbe la proprioception et rend difficile le contrôle de la prothèse, car le patient ne peut pas sentir avec précision où se trouve le membre dans l’espace.

Il y a plusieurs années, Hugh Herr et ses collègues ont commencé à développer une nouvelle procédure chirurgicale appelée interface myoneurale agoniste-antagoniste (AMI) pour reproduire la proprioception dans un membre amputé et rétablir une démarche normale chez les personnes amputées. Plutôt que de couper la paire naturelle de muscles agonistes et antagonistes, les chirurgiens connectent leurs extrémités afin qu’ils puissent communiquer entre eux.

Comment la prothèse bionique interagit avec les muscles de la jambe reconstruits chirurgicalement

« Avec la procédure d’amputation AMI, nous essayons, dans la mesure du possible, de connecter les agonistes natifs aux antagonistes natifs de manière physiologique afin qu’après l’amputation, une personne puisse bouger son membre fantôme complet avec des niveaux physiologiques de proprioception et d’amplitude de mouvement », précise Hugh Herr.

Une étude réalisée en 2021 a démontré que chez les personnes amputées sous le genou, la nouvelle technique chirurgicale permettait un contrôle plus précis du membre amputé, et que les muscles restants produisaient des signaux électriques très similaires à ceux produits dans le membre intact.

De manière inattendue, les patients atteints d’IAM ont également fait état d’une douleur bien moindre et d’une plus grande sensation de liberté de mouvement dans leurs membres amputés. La présente étude a cherché à déterminer si ces signaux électriques pouvaient générer des commandes pour un membre prothétique et générer un retour d’information proprioceptif qui permettrait à l’utilisateur de choisir d’ajuster sa démarche en fonction de ses besoins.

Sept personnes ayant subi l’intervention chirurgicale AMI ont été comparées à sept personnes ayant subi une amputation traditionnelle sous le genou. Tous ont reçu le même membre bionique, une prothèse dotée d’une cheville motorisée et d’électrodes montées sur la peau qui détectent les signaux électromyographiques (EMG) du muscle tibial antérieur, qui court le long de la face externe de la jambe, et du muscle gastrocnémien ou du mollet (chez les patients ayant subi une IAM, ces deux muscles ont été réunis chirurgicalement). Les signaux EMG étaient transmis à un contrôleur robotique qui aidait la prothèse à calculer le degré de flexion de la cheville, le couple à appliquer ou la puissance à fournir.

Aider les personnes amputées à marcher naturellement

Les participants à l’étude ont été testés dans différents scénarios de marche : sur un sentier plat de 10 mètres, en montant une pente, en descendant une rampe, en montant et en descendant des escaliers, et sur une surface plane tout en évitant les obstacles. Les personnes équipées de l’interface neuroprothétique AMI ont obtenu de meilleurs résultats, marchant à peu près à la même vitesse qu’une personne non amputée et franchissant les obstacles plus facilement. Leurs mouvements étaient plus naturels et ils pouvaient mieux coordonner les mouvements de leur prothèse et de leur membre intact. Ils pouvaient également se soulever du sol avec la même force qu’une personne non amputée.

« Grâce à l’interface neuroprothétique AMI, nous avons pu stimuler la signalisation neuronale, en la préservant autant que possible », explique Hyungeun Song, chercheur postdoctoral au Media Lab du MIT et auteur principal de l’étude. « Cela a permis de restaurer la capacité neuronale d’une personne à contrôler continuellement et directement l’ensemble de sa démarche, à différentes vitesses, dans les escaliers, sur les pentes et même en franchissant des obstacles.« 

Ces résultats ont été observés même si le retour sensoriel fourni par l’IAM était inférieur à 20 % de ce que les personnes non amputées recevraient.

« L’une des principales conclusions de cette étude est qu’une légère augmentation du retour d’information neuronal provenant d’un membre amputé peut restaurer une contrôlabilité neuronale bionique significative, au point de permettre aux personnes de contrôler directement la vitesse de marche, de s’adapter à différents terrains et d’éviter les obstacles », a déclaré M. Song.

Il s’agit d’une étape vers l’objectif du laboratoire de Herr, qui est de mieux intégrer une personne et sa prothèse, plutôt que de se concentrer sur la création de membres bioniques de plus en plus avancés sur le plan technologique.

« Le problème de cette approche à long terme est que l’utilisateur ne se sentira jamais intégré à sa prothèse », a déclaré Hugh Herr. « Il ne considérera jamais la prothèse comme une partie de son corps, une partie de lui-même. L’approche que nous adoptons consiste à essayer de connecter le cerveau de l’homme à l’électromécanique.

À ce jour, une soixantaine de patients dans le monde ont bénéficié de la chirurgie AMI, qui peut également être utilisée pour les personnes amputées d’un bras, selon les chercheurs.

https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9

https://news.mit.edu/2024/prosthesis-helps-people-with-amputation-walk-naturally-0701