Après son accident, Ian Burkhart pensait qu’il ne pourrait plus jamais bouger ou sentir sa main. Une petite puce dans son cerveau a tout changé.

C’était l’été 2010, et Ian Burkhart évaluait les vagues alors qu’il nageait dans l’océan au large des côtes de Caroline du Nord. Il s’y était rendu en vacances avec un groupe d’amis pour se détendre après avoir terminé sa première année d’études en production vidéo à l’université de l’Ohio. Il s’est préparé à plonger dans une vague qui arrivait et a dégringolé dans l’eau. Ian Burkhart était un bon nageur, mais l’océan est imprévisible. La vague l’a projeté contre un banc de sable et c’est là qu’il a réalisé qu’il ne pouvait pas sentir son corps.

Incapable de bouger, Ian Burkhart était à la merci de l’océan. Ses amis ont vite compris que quelque chose n’allait pas et l’ont sorti de l’eau. Il a été transporté dans un hôpital voisin où il a subi une opération d’urgence. Une fois qu’il fut stable, les médecins lui donnèrent la mauvaise nouvelle : sa moelle épinière avait été sectionnée. Il ne pouvait plus marcher, l’amplitude de mouvement de ses bras était limitée à son épaule et à son biceps, et il avait presque complètement perdu le sens du toucher.

Après avoir passé des années à travailler pour s’adapter à sa nouvelle réalité, Ian Burkhart s’est inscrit à un programme expérimental appelé NeuroLife à Battelle, une organisation de recherche à but non lucratif dans l’Ohio. Le plan consistait à implanter une petite puce informatique dans son cerveau et à l’utiliser pour améliorer l’amplitude des mouvements de ses bras et recréer artificiellement son sens du toucher. Il y avait peu de chances que cela se réalise, mais Ian Burkhart estime que le potentiel en valait la peine. « C’était beaucoup à envisager, mais la paralysie n’était pas quelque chose que j’étais prêt à accepter », dit-il. Aujourd’hui, six ans après avoir commencé l’étude, il est capable de sentir les objets et a suffisamment de contrôle sur son bras pour déchiqueter Guitar Hero.

L’interface cerveau-ordinateur de Ian Burkhart, ou BCI (Brain-computer Interface), a été implantée chirurgicalement au Wexner Medical Center de l’université d’État de l’Ohio en 2014. Pas beaucoup plus grosse qu’un grain de riz, la puce contrôle les signaux électriques du cortex moteur primaire de Burkhart, la région du cerveau responsable des mouvements volontaires.

Après avoir subi une grave lésion de la moelle épinière en 2010, Ian Burkhart s’est fait implanter une puce dans son cortex moteur qui relaie les signaux électriques du cerveau vers un ordinateur

Une grave lésion de la colonne vertébrale entrave les signaux du cerveau qui disent aux membres de bouger, et la rétroaction sensorielle des membres. Dans le cas de Ian Burkhart, la gravité de sa blessure signifiait qu’il aurait dû y avoir une déconnexion complète entre son cerveau et ses bras et jambes. Mais de récentes expériences en neurosciences suggèrent que dans de nombreuses lésions « complètes » de la moelle épinière – peut-être jusqu’à la moitié d’entre elles – quelques brins de fibre vertébrale survivent. « Même ce petit contingent de fibres peut conduire à un signal raisonnable dans le cerveau », explique Patrick Ganzer, un neuroscientifique de Battelle. Cependant, bien que les signaux électriques correspondant au toucher et au mouvement se déplacent vers le cerveau et en provenance de celui-ci, ils sont trop faibles pour qu’une personne paralysée puisse les remarquer consciemment. Ils ne ressentent rien et leur bras ne bouge pas.

Pour Patrick Ganzer et ses collègues de Battelle, cela a soulevé une possibilité intéressante. Si vous extrayiez ces signaux faibles du cerveau, décodiez leur signification et les transmettiez aux membres, vous pourriez contourner la colonne vertébrale et reconnecter le cerveau et le corps. Des chercheurs d’autres groupes ont démontré qu’il est possible de rétablir le mouvement à l’aide d’une main robotisée et même de renvoyer des signaux tactiles à l’utilisateur en stimulant directement son cerveau. Mais faire les deux à la fois, et avec son propre bras, restait insaisissable.

Le problème, selon Patrick Ganzer, est que les signaux de toucher et de mouvement sont mélangés dans le cerveau. Chaque mouvement ou toucher génère un signal unique, et la puce dans la tête de Ian Burkhart reçoit environ 100 signaux différents à la fois. « Nous séparons des pensées qui se produisent presque simultanément et qui sont liées aux mouvements et au toucher sub-perceptuel, ce qui est un grand défi », ajoute Patrick Ganzer.

Lorsque Ian Burkhart pense à bouger sa main droite, il génère des signaux électriques dans le cerveau qui sont traités par un ordinateur puis envoyés à une série d’électrodes sur son avant-bras qui stimulent ses muscles et lui permettent d’exécuter le mouvement.

Pour ce faire, Ganzer et ses collègues ont utilisé une installation élaborée qui relie le cerveau de Burkhart à un ordinateur. La puce de son cortex moteur envoie des signaux électriques par un port situé à l’arrière de son crâne, qui sont transmis par un câble à un PC situé à proximité. Là, un logiciel décode les signaux du cerveau et les sépare en signaux correspondant aux mouvements prévus et en signaux correspondant au sens du toucher. Les signaux représentant les mouvements souhaités sont acheminés vers un manchon d’électrodes enroulé autour de l’avant-bras de Burkhart. Les signaux du toucher sont acheminés vers une bande de vibration autour de son bras.

Dans un premier temps, Ganzer et ses collègues se sont concentrés sur la restauration des mouvements du bras de Burkhart sans la sensation du toucher. Burkhart dit que les progrès ont été lents au début et qu’il a dû apprendre à penser à bouger son bras pour générer des signaux électriques qui pouvaient être captés par l’ordinateur. « Le simple fait de pouvoir ouvrir et fermer ma main était un défi, car avant ma blessure, je n’avais jamais eu à penser à ce que je faisais pour faire bouger ma main », se souvient-il.

Mais en un an, il avait partiellement restauré le mouvement de sa main. Il n’a pas fallu longtemps avant qu’il ait suffisamment de contrôle sur son bras pour jouer une version modifiée de Guitar Hero, qui nécessitait d’appuyer sur les boutons du manche de la guitare, mais pas de gratter avec l’autre main. « Jouer à un jeu vidéo qui nécessite ce type de multitâche – écouter la chanson, regarder l’écran pour voir le timing et exécuter les pensées liées aux mouvements d’un seul doigt – ajoute un autre niveau de complexité », dit Ganzer.

Burkhart affirme que la capacité de déplacer des objets était « fantastique », mais qu’il était limité sans le sens du toucher. Sans cette rétroaction, la saisie d’objets exigeait toute son attention. À moins de le regarder, il ne pouvait pas dire s’il tenait quelque chose ou non. « C’est vraiment difficile, surtout si je veux attraper quelque chose qui est derrière moi ou dans un sac », dit Burkhart. Même lorsqu’il pouvait voir l’objet, la fermeté de sa prise était hors de son contrôle, ce qui rendait difficile la manipulation d’objets délicats.

Il s’est avéré plus difficile d’ajouter le sens du toucher dans le système. Les neuroscientifiques ont réussi à reproduire la sensation du toucher chez les personnes tétraplégiques en relayant les données des capteurs d’une main prothétique robotisée à une puce dans le cerveau de l’utilisateur. Le problème était que la BCI de Burkhart n’était pas conçue pour ce genre d’entrée. Il n’était même pas situé au bon endroit. Le toucher est enregistré dans le cortex somatosensoriel, qui se trouve derrière le cortex moteur, où la puce a été installée. Pourtant, selon Ganzer, le cortex somatosensoriel peut être un « voisin bruyant » et certains de ses signaux ont été captés par la puce. Il s’agissait simplement de découvrir leur signification.

Pour extraire les signaux uniques correspondant au toucher, Ganzer et ses collègues ont commencé à faire des stimulations ciblées sur le pouce et l’avant-bras de Burkhart, des parties de son membre où son sens du toucher était encore très faible. En observant comment les signaux cérébraux de Burkhart changeaient lorsqu’on appliquait une pression sur ses doigts et sa main, ils ont pu identifier les faibles signaux du toucher sur un fond de signaux de mouvement beaucoup plus forts. Cela signifie qu’un programme informatique a pu diviser les signaux provenant du BCI de Burkhart pour que les signaux de mouvement aillent aux électrodes autour de son avant-bras et les signaux de toucher à un brassard sur son biceps supérieur.

Le bras de Burkhart était également l’une des rares parties de son corps qui avait encore des sensations après l’accident. Cela signifie que les faibles signaux de pression transmis de sa main à son cerveau pouvaient être convertis en vibrations qui lui permettaient de savoir qu’il touchait un objet. Lors des tests avec le brassard, Burkhart pouvait dire quand il touchait un objet avec une précision presque parfaite, même s’il ne le voyait pas.

Au début, le brassard Battelle était un simple dispositif de vibration marche-arrêt. Mais Ganzer et ses collègues l’ont perfectionnée, de sorte qu’elle modifie ses vibrations en fonction de la force ou de la souplesse avec laquelle Burkhart saisit un objet. C’est similaire à la façon dont les contrôleurs de jeux vidéo et les téléphones portables fournissent un retour d’information aux utilisateurs, mais Burkhart dit qu’il a fallu un peu de temps pour s’y habituer : « C’est vraiment étrange. Ce n’est toujours pas normal, mais c’est certainement mieux que de ne pas avoir d’informations sensorielles qui retournent à mon corps ».

Robert Gaunt, ingénieur biomédical aux Rehab Neural Engineering Labs de l’université de Pittsburgh, a comparé le système de Battelle à l’approche développée dans son propre laboratoire, où un BCI contrôle un membre robotisé et des capteurs sur ce membre renvoient des signaux qui stimulent le cerveau pour recréer artificiellement le sens du toucher dans la main d’une personne. « Ce qu’ils font ressemble un peu plus à une substitution sensorielle, plutôt que de restaurer le toucher de sa propre main », explique Robert Gaunt. « Nous avons tous pour objectif de développer des appareils qui améliorent la vie des personnes atteintes de lésions de la moelle épinière, mais la manière la plus efficace de le faire n’est pas du tout claire à ce stade ».

Maintenant que Patrick Ganzer et ses collègues ont fait la démonstration de la technologie en laboratoire, il affirme que la prochaine étape consiste à améliorer le système pour une utilisation quotidienne. L’équipe a déjà réduit l’électronique utilisée dans le système à une boîte de la taille d’un ruban VHS qui peut être montée sur le fauteuil roulant de Burkhart. Le volumineux système d’électrodes a également été réduit à un manchon relativement facile à mettre en place et à retirer. Récemment, Burkhart a utilisé le système pour la première fois à la maison, en le contrôlant par le biais d’une tablette.

Étant donné la nature invasive des BCI, qui doivent être implantés chirurgicalement, il faudra peut-être un certain temps avant que ce type de système ne soit largement utilisé chez les quadriplégiques. Les ICB non invasives qui ne nécessitent pas de chirurgie sont un domaine de recherche active, mais la technologie n’en est qu’à ses débuts. Ganzer travaille sur un projet financé par Darpa pour développer un BCI qui utilise un type spécial de nanoparticules pour envoyer sans fil des signaux vers et depuis le cerveau. Mais aucune de ces technologies ne serait possible sans des gens comme Burkhart qui se portent volontaires pour montrer ce qui est possible.

« Mon objectif est de mettre cette technologie entre les mains d’autres personnes paralysées et de voir jusqu’où nous pouvons la faire progresser », explique M. Burkhart. « La chose la plus importante qui me motive est cet espoir pour l’avenir ».

https://www.wired.com/story/a-brain-implant-restored-this-mans-motion-and-sense-of-touch/