Une interface cerveau-ordinateur optimisée rend les prothèses plus réalistes

Vous pouvez probablement réaliser un nombre incroyable de tâches avec vos mains sans les regarder. Mais si vous portez des gants qui étouffent votre sens du toucher, beaucoup de ces tâches simples deviennent frustrantes. Si vous supprimez la proprioception (votre capacité à ressentir la position et le mouvement relatifs de votre corps), vous risquez même de casser un objet ou de vous blesser.

« La plupart des gens ne se rendent pas compte à quel point ils ont souvent recours au toucher plutôt qu’à la vue – pour écrire, marcher, prendre un verre d’eau fragile », explique Charles Greenspon, docteur en neurosciences à l’université de Chicago. « Si vous ne ressentez rien, vous devez constamment surveiller votre main pendant que vous faites quoi que ce soit, et vous risquez toujours de renverser, d’écraser ou de faire tomber des objets. »

Greenspon et ses collaborateurs de recherche ont récemment publié des articles dans Nature Ingénierie biomédicale et Science documentant les progrès majeurs d’une technologie conçue pour répondre précisément à ce problème : une stimulation électrique directe et soigneusement chronométrée du cerveau qui peut recréer un retour tactile pour donner une « sensation » nuancée aux mains prothétiques.

La science de la restauration des sensations

Ces nouvelles études s'appuient sur des années de collaboration entre scientifiques et ingénieurs de l'UChicago, de l'Université de Pittsburgh, de l'Université Northwestern, de l'Université Case Western Reserve et de Blackrock Neurotech. Ensemble, ils conçoivent, construisent, mettent en œuvre et perfectionnent des interfaces cerveau-ordinateur (BCI) et des bras prothétiques robotisés visant à restaurer à la fois le contrôle moteur et la sensation chez les personnes ayant perdu une fonction importante de leurs membres.

Du côté de l'UChicago, la recherche a été menée par un neuroscientifique Sliman Bensmaia, PhD , jusqu'à son décès inattendu en 2023.

L'approche des chercheurs en matière de sensation prothétique consiste à placer de minuscules réseaux d'électrodes dans les parties du cerveau responsables du mouvement et de la sensation de la main. D'un côté, un participant peut déplacer un bras robotisé simplement en pensant au mouvement, et de l'autre côté, des capteurs sur ce membre robotisé peuvent déclencher des impulsions d'activité électrique appelées microstimulation intracorticale (ICMS) dans la partie du cerveau dédiée au toucher.

Pendant environ une décennie, explique Greenspon, cette stimulation du centre tactile ne pouvait fournir qu'une simple sensation de contact à différents endroits de la main.

« Nous pouvions évoquer la sensation que vous touchiez quelque chose, mais il s’agissait la plupart du temps simplement d’un signal marche/arrêt, et il était souvent assez faible et difficile de dire où sur la main le contact se produisait », a-t-il déclaré.

Les résultats récemment publiés marquent des étapes importantes pour dépasser ces limitations.

Améliorer la compréhension du toucher artificiel

Dans le première étude, publiée dans Chez Nature Biomedical Engineering , Greenspon et ses collègues se sont attachés à garantir que les sensations tactiles évoquées électriquement soient stables, localisées avec précision et suffisamment fortes pour être utiles aux tâches quotidiennes.

En envoyant de courtes impulsions aux électrodes individuelles situées dans les centres tactiles des participants et en leur demandant d'indiquer où et avec quelle intensité ils ressentaient chaque sensation, les chercheurs ont créé des « cartes » détaillées des zones cérébrales correspondant à des parties spécifiques de la main. Les tests ont révélé que lorsque deux électrodes rapprochées sont stimulées ensemble, les participants ressentent un toucher plus fort et plus clair, ce qui peut améliorer leur capacité à localiser et à évaluer la pression sur la bonne partie de la main.

Les chercheurs ont également effectué des tests exhaustifs pour confirmer que la même électrode crée systématiquement une sensation correspondant à un endroit précis.

« Si je stimule une électrode le premier jour et qu'un participant la sent sur son pouce, nous pouvons tester cette même électrode le jour 100, le jour 1 000, voire plusieurs années plus tard, et ils la ressentent toujours à peu près au même endroit », a déclaré Greenspon, qui était l'auteur principal de cet article.

D’un point de vue pratique, tout dispositif clinique devrait être suffisamment stable pour que le patient puisse s’y fier au quotidien. Une électrode qui change continuellement de « position tactile » ou produit des sensations incohérentes serait frustrante et nécessiterait un réétalonnage fréquent. En revanche, la stabilité à long terme révélée par cette étude pourrait permettre aux utilisateurs de prothèses de développer une confiance dans leur contrôle moteur et leur sens du toucher, tout comme ils le feraient avec leurs membres naturels.

Ajout de sensations de mouvement et de formes

Le papier complémentaire de Science  a franchi une étape supplémentaire pour rendre le toucher artificiel encore plus immersif et intuitif. Le premier auteur du projet, le docteur Giacomo Valle, ancien chercheur postdoctoral à l'UChicago, poursuit actuellement ses recherches en bionique à l'université de technologie Chalmers en Suède.

« Deux électrodes côte à côte dans le cerveau ne créent pas de sensations qui « carrelent » la main en petites zones bien nettes avec une correspondance biunivoque ; au lieu de cela, les emplacements sensoriels se chevauchent », a expliqué Greenspon, qui a partagé la rédaction principale de cet article avec Bensmaia.

Les chercheurs ont décidé de tester s’ils pouvaient utiliser cette nature superposée pour créer des sensations qui permettraient aux utilisateurs de ressentir les limites d’un objet ou le mouvement d’un objet glissant sur leur peau. Après avoir identifié des paires ou des groupes d’électrodes dont les « zones tactiles » se chevauchaient, les scientifiques les ont activées selon des schémas soigneusement orchestrés pour générer des sensations qui progressaient sur toute la carte sensorielle.

Les participants ont décrit la sensation d'un léger glissement sur leurs doigts, même si le stimulus était délivré par petites étapes discrètes. Les scientifiques attribuent ce résultat à la remarquable capacité du cerveau à assembler des entrées sensorielles et à les interpréter comme des expériences cohérentes et émouvantes en « comblant » les lacunes de perception.

L'approche consistant à activer séquentiellement des électrodes a également amélioré de manière significative la capacité des participants à distinguer des formes tactiles complexes et à réagir aux changements dans les objets qu'ils touchaient. Ils pouvaient parfois identifier des lettres de l'alphabet « tracées » électriquement sur le bout de leurs doigts et ils pouvaient utiliser un bras bionique pour stabiliser un volant lorsqu'il commençait à glisser entre leurs mains.

Ces avancées contribuent à rapprocher le retour d’information bionique des capacités précises, complexes et adaptatives du toucher naturel, ouvrant la voie à des prothèses qui permettent une manipulation en toute confiance des objets du quotidien et des réponses aux stimuli changeants.

L'avenir des neuroprothèses

Les chercheurs espèrent qu’à mesure que la conception des électrodes et les méthodes chirurgicales continueront de s’améliorer, la couverture sur la main deviendra encore plus fine, permettant un retour d’information plus réaliste.

« Nous espérons intégrer les résultats de ces deux études dans nos systèmes robotiques, où nous avons déjà montré « Même des stratégies de stimulation simples peuvent améliorer la capacité des gens à contrôler les bras robotiques avec leur cerveau », a déclaré le co-auteur Robert Gaunt, PhD, professeur associé de médecine physique et de réadaptation et responsable des travaux de stimulation à l'Université de Pittsburgh.

Greenspon a souligné que la motivation derrière ce travail est d’améliorer l’indépendance et la qualité de vie des personnes vivant avec une perte de membre ou une paralysie.

« Nous nous soucions tous des personnes qui se blessent et perdent l’usage d’un membre. Cette recherche leur est destinée », a-t-il déclaré. « C’est ainsi que nous pouvons redonner le toucher aux gens. C’est la pointe de la neurotechnologie réparatrice, et nous travaillons à étendre cette approche à d’autres régions du cerveau. »

Cette approche est également prometteuse pour les personnes souffrant d'autres types de perte sensorielle. En fait, le groupe a également collaboré avec des chirurgiens et des obstétriciens de l'UChicago sur le projet Projet Bionic Breast , qui vise à produire un dispositif implantable capable de restaurer le sens du toucher après une mastectomie.

Même si de nombreux défis restent à relever, ces dernières études montrent que la voie vers la restauration du toucher est de plus en plus claire. Avec chaque nouvelle série de résultats, les chercheurs se rapprochent d’un avenir dans lequel une prothèse ne sera plus seulement un outil fonctionnel, mais un moyen de découvrir le monde.

https://www.uchicagomedicine.org/forefront/biological-sciences-articles/bionic-hand-sensation