Le potentiel des technologies d'interface neuronale dans le contrôle des prothèses du bas du membre

La perte d'un membre inférieur affecte profondément la mobilité, l'indépendance et la qualité de vie de la personne. Les membres prothétiques traditionnels, tout en s'améliorant considérablement au cours des décennies, continuent de dépendre de mouvements mécaniques passifs ou de contrôles myoélectriques de base – les contractions musculaires de lecture du membre résiduel – qui conduisent souvent à des tendances de démarche non naturelle, à une charge cognitive élevée et à des fonctionnalités limitées.Pour de nombreux amputés, la méthode de contrôle la plus intuitive – en pensant à un mouvement et en faisant exécuter le membre naturellement – reste insaisissable. Cependant, une nouvelle frontière se dessine : les technologies d'interface neuronale.

Comprendre les technologies d'interface neuronale

À leur cœur, les interfaces neurales détectent les signaux électriques générés par le système nerveux, que ce soit à partir du cerveau, de la moelle épinière ou des nerfs périphériques, et les décodent en commandes qu'un membre prothèse peut exécuter en temps réel. Contrairement aux prothèses conventionnelles qui reposent sur la contraction musculaire résiduelle (électromyographie), les interfaces neurales se chargent des commandes neurales originales qui auraient pu se déplacer jusqu'au membre manquant.

Le concept n'est pas nouveau; les premiers BCI expérimentaux pour le contrôle des curseurs d'ordinateur remontent à des décennies. Cependant, la traduction de cette technologie en prothèses inférieures des membres présente des exigences uniques. Le mouvement des membres inférieurs implique des actions complexes et synchronisées pour le roulement de poids, la propulsion et l'équilibre, bien plus que la simple flexion et l'extension.

Des études récentes démontrent que les personnes ayant des amputations de membres inférieurs peuvent maintenant marcher avec une jambe prothétique entièrement contrôlée par des signaux neuraux, en réalisant une démarche qui imite étroitement la marche naturelle. Des organisations comme le ] du ministère des Anciens Combattants des États-Unis et des équipes multidisciplinaires des universités de premier plan sont à l'avant-garde de la traduction de ces succès en systèmes pratiques et cliniquement viables.

Types d'interfaces neurales pour le contrôle des membres inférieurs

Les interfaces neurales peuvent être catégorisées en fonction de leur invasivité et de leur point d'acquisition du signal neuronal. Chaque type présente un compromis entre la fidélité du signal, le risque chirurgical et la fiabilité à long terme.

Interfaces neuronales envahissantes

Les interfaces invasives comportent des électrodes qui s'implantent chirurgicalement directement dans le cerveau (réseaux intracortiques) ou dans des nerfs ou muscles spécifiques du membre résiduel. L'exemple le plus avancé pour les prothèses du membre inférieur est l'utilisation d'interfaces des nerfs périphériques, telles que l'interface des nerfs périphériques régénératifs (RPNI)[ ou l'électrode des nerfs tibiaux. Ces dispositifs captent les signaux moteurs efférents des fibres nerveuses résiduelles et peuvent également fournir une rétroaction sensorielle.

Interfaces neurales non invasives

Les interfaces non invasives reposent sur des capteurs externes placés sur le cuir chevelu ou la peau pour détecter l'activité neuronale. La technologie la plus courante est l'électroencéphalographie (EEG), qui enregistre les potentiels électriques du cerveau à travers le crâne. Pour les prothèses des membres inférieurs, les systèmes basés sur EEG détectent les potentiels cortical liés au mouvement ou les rythmes sensorimoteurs. Lorsqu'un utilisateur imagine marcher, des régions cérébrales spécifiques génèrent des signaux distincts qu'un décodeur peut traduire en une commande à l'articulation prothèse. Les interfaces non invasives sont plus sûres, moins coûteuses et plus faciles à mettre en œuvre, ce qui les rend attrayants pour une adoption clinique précoce.

Une approche hybride prometteuse combine l'EEG non invasive avec électromyographie (EMG)[ capteurs du membre résiduel. Cette interface multimodale peut améliorer la précision en fusionnant les signaux du cerveau avec l'activité musculaire résiduelle.Les chercheurs du Université du Michigan , Biomechanics Lab ont développé de tels systèmes hybrides qui permettent aux utilisateurs de passer sans heurt entre la marche au sol et l'escalade de l'escalier.

Interfaces périphériques de nerf (épidural, cuff et intrafasciculaire)

Entre les extrêmes des implants cérébraux invasifs et des EEG du cuir chevelu, il y a des interfaces nerveuses périphériques, qui consistent à placer des électrodes around (électrodes àuffler), par (électrodes intrafasciculaires), ou about (électrodes intrafasciculaires transverses à canaux multiples, ou TEMPs) un nerf périphérique, comme les nerfs sciatiques ou fémoraux dans la jambe. Ces nerfs transportant directement les commandes motrices, ils peuvent fournir des signaux de haute fidélité sans pénétrer le cerveau. La procédure chirurgicale est nettement moins risquée que la chirurgie intracrânienne; l'électrode est enveloppée ou insérée dans le nerf dans une seule intervention chirurgicale externe.

Demandes actuelles et recherche en repère

Au cours des cinq dernières années, plusieurs études historiques ont démontré la faisabilité de la prothèse des membres inférieurs contrôlée par les neuraux.En 2021, des chercheurs du MIT Media Lab[ et de l'hôpital Brigham et Women=" ont signalé le premier contrôle neuronal direct d'une jambe prothèse à l'aide d'une interface nerveuse périphérique implantable. Le participant, amputé bilatéral, pouvait marcher sur le sol, monter et descendre des escaliers, et même changer la vitesse de marche – toutes avec une démarche naturelle. La clé était le développement d'un système de contrôle en boucle fermée[ qui utilisait des signaux neuraux pour la commande moteur et la rétroaction sensorielle (par des électrodes qui ont stimulé les terminaisons nerveuses restantes pour fournir un sentiment de contact au sol).

Une autre étude pionnière de l'Institut de réadaptation de Chicago (aujourd'hui Shirley Ryan CapabilityLab) a utilisé un capuchon EEG non invasif combiné à une prothèse motorisée du genou et de l'inclinaison. Les participants ont appris à moduler leurs rythmes sensorimoteurs pour contrôler l'angle de l'articulation prothèse.Après une période d'entraînement de plusieurs semaines, les sujets pouvaient réussir à éviter les obstacles et à marcher à niveau. Cependant, le système a nécessité un recalibrage fréquent et un décalage notable (~200 millisecondes) entre la pensée et le mouvement.

Développements commerciaux et cliniques actuels

En dehors des laboratoires universitaires, plusieurs entreprises travaillent à commercialiser des prothèses d'interface neuronale. Össur a développé le Proprio Foot, qui utilise des capteurs embarqués et un microprocesseur pour s'adapter au terrain, mais il n'utilise pas encore de contrôle neuronal direct. Ottobock="s Genium X3 offre une position sophistiquée et un contrôle oscillant, mais encore une fois s'appuie sur des capteurs d'inertie et de charge. Les systèmes de prochaine génération, tels que ceux en cours de développement à BrainGate (un consortium qui détient le principal essai intracorticien approuvé par la FDA), explorent des canaux neuronaux directs. Pour les membres inférieurs spécifiquement, le FDA a accordé la désignation de l'appareil Breakthrough à une jambe prothétique contrôlée par la FDA, qui est développée par une équipe conjointe de Case Western Reserve University et du Centre médical Louis Stokes Cleveet

Principaux défis et frontières de la recherche

Malgré l'excitation, plusieurs défis redoutables doivent être surmontés avant que les prothèses de l'interface neuronale ne deviennent une option clinique courante.

Stabilité des signaux et fiabilité à long terme

Un problème persistant est la dégradation de la qualité des signaux au fil du temps. Les électrodes implantées peuvent être encapsulées par le tissu cicatriciel glial, qui isole les contacts métalliques des neurones, réduisant l'amplitude et la spécificité des signaux enregistrés. Ce phénomène, connu sous le nom de réponse du corps étranger, limite la durée de vie utile des sondes neuronales actuelles à quelques années. Les chercheurs explorent de nouveaux matériaux tels que des polymères conducteurs flexibles, des nanotubes de carbone et des revêtements biorésorbables qui peuvent évacuer les médicaments anti-inflammatoires pour atténuer les cicatrices.

Complexité de décodage des signaux

Le système nerveux humain n'envoie pas de commandes isolées de -walk ou de -stop; il produit plutôt des schémas complexes de tir neuronal qui codent des plans nuancés pour la trajectoire, la vitesse et l'adaptation au terrain. Le décodage de ces schémas nécessite des algorithmes d'apprentissage machine sophistiqués – souvent basés sur des réseaux neuronaux récurrents (RNN) ou des transformateurs – qui peuvent gérer des données non stationnaires (c.-à-d. des signaux qui changent au fil du temps en raison de la fatigue, de l'attention ou de l'apprentissage). Un obstacle majeur est le déplacement du domaine: un décodeur formé sur des données à partir d'un jour peut échouer le lendemain parce que les modèles neuraux de l'utilisateur ont légèrement changé.

Biocompatibilité et risques chirurgicaux

Pour les applications des membres inférieurs, placer des électrodes dans les nerfs périphériques de la cuisse ou du veau est généralement plus sûr que la chirurgie cérébrale, mais comporte toujours des risques de dommages nerveux, de migration des électrodes et d'infection au site d'implantation. De plus, l'électronique implantée doit être hermétiquement scellée pour survivre dans l'environnement humide et ionique du corps. Les progrès réalisés dans l'électronique hybride flexible ont permis aux chercheurs de créer des circuits ultra-minces et courbés qui se conforment aux faisceaux nerveux, minimisent les erreurs mécaniques et réduisent la réponse immunitaire.

Intégration des commentaires sensoriels

Une jambe prothétique qui ne reçoit que des commandes motrices du cerveau mais ne fournit pas de rétroaction sensorielle est semblable à marcher dans l'obscurité. La démarche naturelle dépend de l'information continue des mécanorécepteurs dans la peau, des broches musculaires et de la capsule articulaire. Sans cette rétroaction, les utilisateurs doivent compter sur une entrée visuelle pour guider chaque étape, qui est épuisante et sujette aux erreurs. Les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans interfaces neuronales bidirectionnelles qui non seulement lisent les commandes motrices mais aussi fournissent une stimulation électrique aux nerfs afferents, créant une sensation de toucher et de pression du membre prothèse. Par exemple, en stimulant le nerf tibial à des fréquences et amplitudes spécifiques, les utilisateurs peuvent ressentir des sensations comme une frappe au talon, - -la pression mi-station, -la pression, -leto-off, -la capacité de marcher plus naturellement avec une charge moins cognitive.

Incidences sur la réadaptation et la qualité de vie

Rétablir la démarche naturelle et réduire les risques d'automne

Les études cliniques mesurant les forces de réaction au sol, la cinématique articulaire et l'activité musculaire montrent que la marche contrôlée par le neural réduit l'inclinaison du bassin et la randonnée dans la hanche, ce qui rapproche le modèle de la démarche des marcheurs non amputés. De plus, parce que l'interface peut ajuster la rigidité de l'articulation prothèse et l'amortissement en temps réel sur la base des commandes neurales, les utilisateurs peuvent réagir plus rapidement aux perturbations – comme un glissement ou un voyage – en réduisant le risque d'automne, ce qui est une crainte majeure pour les amputés.

Charge cognitive et formation

L'un des aspects sous-estimés de l'utilisation d'une jambe prothétique non neuronale est l'énorme charge cognitive qu'elle impose. Les utilisateurs doivent constamment planifier et surveiller chaque étape, engageant consciemment les muscles et le poids mobile. Cela peut être épuisant mentalement, limitant la capacité de multitâcher efficacement. Les interfaces neurales promettent de décharger une grande partie de ce contrôle vers des voies neurales subconscientes. Les premières réactions des utilisateurs des études pilotes indiquent qu'une fois la période de formation initiale terminée (habituellement quelques semaines), l'utilisation d'une prothèse neurale devient -indomptable, - libérant l'attention pour d'autres tâches comme la conversation, évitant les obstacles ou navigurant des environnements complexes.

Prestations psychologiques et sociales

Au-delà de la mobilité, les prothèses de l'interface neuronale peuvent avoir un impact sur l'image du corps et l'identité. Beaucoup d'amputés décrivent la sensation déconnectée de leur membre prothèse – c'est un outil externe, pas une partie d'eux. En rétablissant un lien neuronal direct, la jambe prothèse devient plus intégrée au schéma corporel de l'utilisateur. Les participants aux études de contrôle neuronal expriment souvent qu'ils commencent à -- sentir la prothèse comme leur propre jambe. Ce sentiment de propriété peut réduire la douleur des membres fantômes, améliorer l'humeur et améliorer la satisfaction globale de la vie.

Perspectives d'avenir: vers une intégration entièrement neuronale

Les chercheurs travaillent actuellement sur des prothèses intelligentes en boucle fermée qui combinent les signaux neuraux avec les données des unités de mesure inertielles, des capteurs de force et des caméras pour créer un système de prise de décision holistique. Les algorithmes d'apprentissage de la machine non seulement décodageront l'intention de l'utilisateur, mais anticiperont également les changements de terrain à venir – par exemple, détecter un escalier devant et régler automatiquement l'impédance de joint. De plus, les progrès dans la proprioception artificielle permettront à la prothèse de renvoyer des informations sur l'angle de joint, la vitesse et la conformité au sol, créant une boucle de rétroaction bidirectionnelle qui se sent entièrement naturelle.

Les systèmes non invasifs, bien que moins performants, s'amélioreront grâce à de meilleures conceptions d'électrodes à sec et à un traitement avancé des signaux qui filtrent le bruit ambiant. Les plateformes de télémédecine permettront d'effectuer des calibrages et des travaux de maintenance à distance, réduisant ainsi le besoin de visites fréquentes dans les cliniques.

Conclusion

En rétablissant la communication neuronale directe entre le cerveau et le membre artificiel, ces systèmes promettent de fournir le contrôle le plus naturel, intuitif et fonctionnel jamais réalisé. Bien que des défis importants d'ingénierie et de biologie subsistent – notamment en ce qui concerne la stabilité des signaux à long terme, la fiabilité des réactions sensorielles et la sécurité chirurgicale – les progrès des cinq dernières années ont été à couper le souffle.