Comprendre les troubles de la parole et de la communication

Les troubles de la parole et de la communication englobent un large éventail de troubles qui réduisent la capacité d'une personne à produire un langage intelligible ou à comprendre le langage.Ces troubles peuvent résulter de dommages au cerveau et aux centres de langue, des voies motrices contrôlant les muscles vocaux ou du système nerveux périphérique.Les causes courantes comprennent les accidents vasculaires cérébraux, les lésions cérébrales traumatiques, les maladies neurodégénératives (comme la sclérose latérale amyotrophique [SLA], Parkinson et no 8217; les maladies et la sclérose en plaques), la paralysie cérébrale et les affections congénitales comme l'apraxie de la parole.

Les technologies d'assistance traditionnelles, comme les dispositifs de communication alternative et de communication augmentée (p. ex., tablettes texte à bouche, systèmes de suivi oculaire), offrent un soulagement partiel mais nécessitent souvent un mouvement volontaire résiduel ou un effort cognitif. Pour les personnes atteintes d'un syndrome de verrouillage ou d'une paralysie complète, même ces options échouent.

Approches en génie neuronal

Pour la restauration de la parole, trois approches principales sont apparues : les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) qui décodent les intentions de la parole des signaux neuraux, les dispositifs de stimulation neuronale qui facilitent la production de la parole et les systèmes neuroprothétiques qui remplacent ou contournent les structures vocales endommagées.

Interfaces cerveau-ordinateur (BCI)

Dans le contexte de la parole, les BCI détectent l'activité neuronale associée à l'intention de parler ou d'imaginer parler un mot, un phonème ou une phrase spécifique. Cette activité est ensuite décodée en texte ou en sortie de la parole synthétique. Les composantes principales d'un BCI de parole comprennent :

  • Acquisition de signaux : Les signaux neuraux sont captés par des méthodes invasives ou non invasives. Les approches envahissantes, telles que les réseaux de microélectrodes intracortiques (p. ex. les réseaux d'Utah) ou les grilles d'électrocorticographie (ECoG) placées sur la surface corticale, fournissent une résolution spatiale et temporelle élevée.
  • Traitement et décodage des signaux :[ Les données neurales brutes sont filtrées, amplifiées et traduites en commandes utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique. Les modèles d'apprentissage profond, particulièrement les réseaux neuronaux et les transformateurs récurrents, ont considérablement amélioré l'exactitude des représentations de la parole décodage de l'activité neurale. Par exemple, une étude de 2023 publiée dans Nature a démontré un IBC qui a décodé les phrases du cortex moteur de la parole d'un participant ayant une SLA à un taux de 62 mots par minute avec un taux d'erreur de 23,8 % et un taux d'erreur de 821; en approchant la vitesse de la conversation naturelle.
  • Production d'output:[ Le contenu linguistique décodé est converti en texte affiché sur un écran ou un audio via un synthétiseur de parole. Certains systèmes animent également un avatar numérique pour fournir une rétroaction visuelle.

Parmi les percées récentes, mentionnons le développement d'ICB sans fil qui éliminent les fils percutants, réduisent le risque d'infection et améliorent le confort du patient.Le consortium BrainGate a été le pionnier de plusieurs de ces avancées, démontrant la première communication en temps réel utilisant un IBC intracortical chez les personnes atteintes de tétraplégie.

Dispositifs de stimulation neurale

Au lieu de décoder la parole, les dispositifs de stimulation neuronale modulent activement les circuits neuraux pour rétablir ou améliorer la fonction de la parole. Ceux-ci sont particulièrement pertinents pour les troubles de la parole moteur comme la dysarthrie ou l'apraxie.

  • Stimulation cérébrale profonde (SBD) :[ Le SBD consiste à implanter des électrodes dans des structures cérébrales profondes (p. ex., noyau subthalamique, globus pallidus internus) pour traiter les troubles du mouvement.Dans Parkinson’s maladie, le SBD peut améliorer la dysarthrie hypokinétique en réduisant la rigidité et en améliorant le contrôle laryngé.
  • Vagus Nerve Stimulation (VNS):[ Le VNS associé à la réadaptation a montré des promesses pour améliorer la neuroplastique après l'AVC. En stimulant le nerf vagus pendant l'orthophonie, les patients peuvent obtenir des améliorations plus importantes dans la récupération de la langue qu'avec le seul traitement.
  • Stimulation de la nerfs spinaux et périphériques: Pour les personnes souffrant de paralysie du muscle respiratoire dépendante du ventilateur (p. ex., lésion de la moelle épinière élevée), le rythme du nerf phrénique peut rétablir la respiration volontaire, ce qui permet de soutenir la parole.

La clinique Mayo et d'autres centres continuent à affiner le ciblage DBS pour les fonctions de parole et d'ingestion, tandis que la recherche sur les systèmes de stimulation en boucle fermée (où la stimulation est déclenchée par la rétroaction neuronale en temps réel) est prometteuse pour le soutien adaptatif et à la demande de la parole.

Systèmes de parole neuroprothésiques

Lorsque la production naturelle de la parole est impossible, la neuroprothèse peut remplacer ou augmenter l'appareil vocal.

  • Synthétiques Générateurs de Voix:[ Certains BCI contournent entièrement le tract vocal en synthétisant directement la parole des signaux corticaux. Une étude historique de 2019 de l'Université de Californie, San Francisco, a utilisé des signaux EcoG pour contrôler un tract vocal virtuel, produisant une parole sonore intelligible avec une voix sonore naturelle. Cette approche évite le goulot d'étranglement de taper la lettre par lettre.
  • Prothèses laryngéales: Pour les personnes ayant subi une laryngectomie, les dispositifs électrolarynsiques sont mis à niveau avec un contrôle neuronal. Des prototypes expérimentaux permettent aux utilisateurs de moduler le pas et le volume en utilisant des signaux provenant des muscles du cou ou de l'activité corticale, donnant une parole plus expressive.
  • Activateurs robotisés de type Soft: Les chercheurs développent des systèmes robotiques de type Soft qui s'attachent au visage et au cou pour faciliter les mouvements de la mâchoire, des lèvres et de la langue. Ces actuateurs peuvent être commandés par des caméras à tête ou des signaux d'électromyographie (EMG) provenant des muscles résiduels du visage, offrant une alternative non invasive pour la paralysie partielle.

Recherche et applications cliniques actuelles

Plusieurs projets de pointe traduisent l'ingénierie neuronale du laboratoire à la clinique. À l'Université Stanford, une équipe dirigée par les Drs Jaimie Henderson et Krishna Shenoy a développé un BCI intracortical qui a permis à un participant avec la SLA de communiquer à 62 mots par minute. Ce système repose sur un réseau de microélectrodes à 96 canaux implanté dans le gyrus précentral, décodant des mouvements de main tentés pour contrôler un curseur d'ordinateur pour la saisie.

Dans le domaine de l'ECoG, le BCI d'orthographe développé par le Dr Edward Chang à l'UCSF utilise des électrodes placées sur le cortex sensorimoteur pour décoder les mouvements de la parole. En 2021, son équipe a démontré un système qui a traduit les signaux du cerveau en phrases affichées comme texte, obtenant une précision médiane de 97 % chez un participant ayant une dysarthrie sévère d'un AVC du tronc cérébral. Plus récemment, le même groupe a combiné l'ECoG avec un vocodeur neural pour générer une parole audible directement de l'activité corticale, un pas vers la communication naturaliste.

Le Synchron Stentrode représente une option moins invasive de BCI. Ce tableau d'électrode de stent est livré par la veine jugulaire et placé à côté du cortex moteur. Synchron a reçu l'approbation de la FDA pour les essais humains en 2020, et les premiers résultats montrent que les patients avec paralysie peuvent utiliser un curseur et un type d'ordinateur en utilisant le système.

Pour la réadaptation de la parole après l'AVC, un essai clinique de 2023 de l'Université de Pittsburgh a combiné la stimulation transcrânienne directe du courant (tDCS) avec la thérapie vocale informatisée. Les participants qui ont reçu la tDCS active au-dessus du gyrus frontal inférieur gauche ont montré des améliorations significativement plus importantes dans la précision de désignation et la fluence par rapport à la stimulation de la fausse, suggérant que même la stimulation électrique non invasive peut augmenter la récupération lorsqu'elle est associée à une formation ciblée.

Défis et limites

Malgré des progrès remarquables, les solutions d'ingénierie neuronale pour la parole sont confrontées à des obstacles redoutables avant qu'elles ne deviennent des outils cliniques de routine.

Défis techniques

  • Signal Stability and Longevity: Les microélectrodes intracorticales se dégradent souvent au fil des mois et des années en raison de cicatrices gliales et de la réponse immunitaire, ce qui entraîne une baisse de la qualité du signal.
  • Décoder la précision et la vitesse:[ Les IBC actuels produisent toujours des taux d'erreur de mots supérieurs à 20 % en temps réel. Les erreurs frustrent les utilisateurs et la lenteur de la communication. L'amélioration des modèles de langue et l'intégration de repères contextuels (par exemple, l'historique des utilisateurs, le sujet) peuvent aider, mais l'obtention d'une précision presque parfaite dans des conditions naturalistes est un défi continu.
  • Latence:[ Pour qu'un ICB se sente naturel, le décodage doit se faire dans les 200 millisecondes de l'intention neuronale. Bien que certains systèmes approchent ce seuil, les retards de transmission (surtout avec les implants sans fil) peuvent perturber le flux conversationnel.

Les obstacles cliniques et réglementaires

  • Risque chirurgical: Les IBC envahissants nécessitent une craniotomie pour l'implantation d'électrodes, avec des risques d'infection, de saignement et de dommages neurologiques.
  • Approbation réglementaire :[ Les appareils neuraux sont classés comme des appareils médicaux de classe III par la FDA, nécessitant des essais approfondis de sécurité et d'efficacité. Peu de systèmes ont reçu l'approbation; la plupart restent expérimentaux.
  • Coût et accessibilité: Les BCI implantables coûtent des dizaines de milliers de dollars, sans compter la chirurgie, l'entretien et la formation. Le remboursement des assurances ou des systèmes de santé publique est limité.

Considérations éthiques

  • Consentement éclairé: Les participants aux essais de BCI ont souvent de graves déficiences en communication, ce qui rend difficile la pleine compréhension des risques.
  • Confidentialité et sécurité des données: Les signaux neuraux contiennent des informations intimes sur les pensées, les émotions et les intentions. L'accès ou le piratage non autorisés d'un BCI pourrait entraîner des violations sans précédent de la vie privée.
  • Equité et accès:[ Si les prothèses neurales restent chères et rares, seuls les patients riches en bénéficieront, ce qui accroîtra les inégalités existantes en matière de santé.

Pour relever ces défis, il faut une collaboration interdisciplinaire soutenue entre les neuroscientifiques, les ingénieurs, les cliniciens, les éthiciens et les organismes de réglementation. L'Initiative de l'IEEE sur le cerveau[ et des organismes semblables travaillent à l'établissement de pratiques exemplaires et de lignes directrices éthiques.

Orientations futures

La prochaine décennie promet des progrès importants, car l'ingénierie neuronale converge avec l'intelligence artificielle, la science des matériaux et l'électronique miniaturisée.

Haute résolution, Implants à longue durée

Les réseaux d'électrodes de la prochaine génération comporteront des milliers de canaux (vers. centaines aujourd'hui) avec des substrats flexibles qui correspondent aux propriétés mécaniques du cerveau et du n° 8217. Des entreprises comme Neuralink et NeuroPace développent des systèmes entièrement implantables avec transmission d'énergie sans fil et diffusion de données.

Systèmes de boucle fermée et d'adaptation

Les futurs BCI vont non seulement décoder la parole, mais aussi fournir des commentaires en temps réel pour optimiser les performances. Par exemple, un BCI en boucle fermée pourrait détecter lorsque l'utilisateur est confus ou lorsque la qualité du signal est faible et ajuster les paramètres de décodage en conséquence.

Intégration avec le traitement des langues naturelles

Des modèles de langages volumineux (comme GPT-4) peuvent être intégrés aux BCI pour prédire les mots prévus à partir du décodage partiel du signal, améliorer la vitesse et réduire les erreurs.

Appareils non invasifs et à usage domestique

Les progrès réalisés dans les EEG portables avec des électrodes sèches, l'échographie fonctionnelle (fUS) et la magnétoencéphalographie (MEG) pourraient permettre une utilisation quotidienne à domicile pour la orthophonie ou le soutien de la communication. La combinaison de fNIRS à haute densité et d'apprentissage automatique est une avenue prometteuse, avec des études initiales montrant une précision de décodage de l'alphabet supérieure à 70 % chez les volontaires sains.

Protocoles de réadaptation personnalisés

Par exemple, un patient se rétablissant d'aphasie pourrait porter un neurostimulateur monté sur la tête qui fournit une stimulation électrique transcrânienne ciblée (TS) dans les zones de langue pendant qu'il pratique la conversation avec un thérapeute virtuel. Les paramètres de stimulation seraient ajustés en temps réel en fonction de la performance et de la réponse neuronale, maximisant la plasticité.

Conclusion

En interférant directement avec le système nerveux, les chercheurs et les cliniciens créent des technologies qui permettent de rétablir la capacité de parler, de taper et de se connecter avec d'autres, même lorsque l'appareil vocal naturel a échoué. Des IBC intracorticaux qui décodèrent la parole avec une grande fidélité aux neurostimulateurs en boucle fermée qui facilitent la récupération après l'AVC, le domaine progresse rapidement. Cependant, d'importants défis techniques, cliniques et éthiques demeurent, notamment en ce qui concerne la fiabilité à long terme, la sécurité et l'accès équitable.