Il y a quelques années, l’équipe de recherche de Stanisa Raspopovic du Neuroengineering Lab de l’ETH Zurich a fait sensation dans le monde entier lorsque les chercheurs ont annoncé que leurs prothèses de jambe permettaient pour la première fois aux amputés de sentir la partie du corps qui les remplace. En effet, contrairement aux prothèses de jambes actuellement disponibles qui soutiennent simplement les personnes amputées, les prothèses des chercheurs étaient reliées au nerf sciatique du moignon de la cuisse par des électrodes implantées.
Les neuroprothèses ont ainsi pu transmettre des informations au cerveau, par exemple sur la pression exercée sur la plante du pied de la prothèse, qui varie constamment pendant la marche. Cela a permis aux sujets de faire davantage confiance à la partie du corps de remplacement - et de marcher plus rapidement sur un sol difficile. "Contrairement à notre prothèse de jambe expérimentale, les neuroprothèses actuelles ne sont toutefois pas encore en mesure de générer une sensation naturelle. Au lieu de cela, elles provoquent souvent des sensations désagréables, comme des picotements sur la peau", explique Raspopovic.
C’est probablement dû au fait que les neuroprothèses actuelles utilisent des pulsations électriques répétées régulièrement pour stimuler le système nerveux. "Ce n’est pas naturel et inefficace", explique Raspopovic. Comme lui et son équipe le montrent maintenant dans une publication qui vient d’être publiée, à l’exemple de leurs prothèses de jambes, il vaut la peine de miser sur une stimulation biomimétique, c’est-à-dire sur des signaux qui s’inspirent de la nature, pour le développement de la prochaine génération de neuroprothèses.
Unmodèle simule l’activité nerveuse dans la plante du pied
Pour pouvoir générer de tels signaux biomimétiques, Natalija Katic, une doctorante du groupe de recherche de Raspopovic, a développé un modèle informatique appelé FootSim. Il s’appuie sur les données de chercheurs canadiens qui ont enregistré l’activité de cellules sensorielles spéciales, appelées mécanorécepteurs, dans la plante des pieds, alors qu’ils touchaient les pieds de sujets sains à différents endroits avec une tige vibrante.Le modèle simule le comportement dynamique d’un grand nombre de mécanorécepteurs dans la plante du pied et calcule les signaux nerveux qui se déplacent à la vitesse de l’éclair du pied vers le cerveau. Et ce, dès le moment où le pied touche le sol avec le talon, puis où le poids du corps se déroule sur le bord extérieur du pied jusqu’à ce que les orteils soient à nouveau relevés pour le pas suivant. "Ce modèle nous montre comment les cellules sensorielles de la plante des pieds se comportent pendant la marche ou la course, ce qui est impossible à mesurer expérimentalement", explique Katic.
Submersion d’informations dans la moelle épinière
Giacomo Valle, un post-doctorant du groupe de recherche de Raspopovic, a testé avec des collègues d’Allemagne, de Serbie et de Russie la correspondance entre ces signaux biomimétiques calculés par le modèle et les signaux nerveux réels dans le cadre d’une expérience avec des chats, dont le système nerveux traite les mouvements de manière similaire à celui des humains. Les expériences ont eu lieu en 2019 à l’Institut de physiologie Pavlov de Saint-Pétersbourg et ont été menées en conformité avec les directives correspondantes de l’Union européenne.Les chercheurs ont implanté des électrodes, dont certaines ont été connectées au nerf de la jambe et d’autres à la moelle épinière, afin de voir comment les signaux sont transmis dans le système nerveux. Lorsque les chercheurs ont exercé une pression sur la patte du chat par en dessous, provoquant ainsi l’activité nerveuse naturelle lors d’un pas de chat, les schémas d’activité enregistrés dans la moelle épinière ressemblaient effectivement aux schémas qui apparaissaient dans la moelle épinière après que les chercheurs aient stimulé le nerf de la jambe avec des signaux biomimétiques.
En revanche, la stimulation rigide traditionnelle du nerf sciatique dans la cuisse des chats a provoqué un schéma nettement différent dans la moelle épinière. "Les méthodes de stimulation habituellement utilisées semblent entraîner une surcharge d’informations dans les réseaux neuronaux de la colonne vertébrale", explique Valle. "Cette surcharge pourrait être à l’origine des sensations désagréables ou des paresthésies que certaines personnes rapportent lorsqu’elles portent des neuroprothèses", ajoute Raspopovic.
Apprendre le langage du système nerveux
Les chercheurs ont finalement prouvé la supériorité de la stimulation biomimétique sur la stimulation rigide lors de l’étude clinique menée sur des personnes amputées des jambes. Les signaux inspirés de la nature ont donné des résultats nettement meilleurs : Les sujets ont ainsi pu monter les escaliers plus rapidement. De plus, ils faisaient moins d’erreurs lorsqu’ils essayaient d’épeler des mots à l’envers en montant les escaliers. "Grâce à la neurostimulation biomimétique, les sujets peuvent également se concentrer sur d’autres choses lorsqu’ils marchent. Cela nous montre que ce type de stimulation est traité plus naturellement et sollicite moins le cerveau", explique Raspopovic.Le professeur de l’EPFZ à l’Institut de robotique et de systèmes intelligents estime que les nouvelles connaissances ne sont pas seulement importantes pour les prothèses de jambes, sur lesquelles lui et son équipe travaillent depuis plus de cinq ans déjà. Pour toute une série d’autres instruments et appareils - comme les implants de la colonne vertébrale ou les électrodes pour la stimulation cérébrale - il est également important de s’éloigner de la stimulation répétitive non naturelle utilisée jusqu’à présent et d’utiliser des signaux biomimétiques. "Nous devons apprendre le langage du système nerveux", explique Raspopovic. "Nous pourrons alors communiquer avec le cerveau de manière à ce qu’il nous comprenne bien".
