Ehaque année, plus d’un million de personnes en Amérique du Nord souffrent d’une forme quelconque de lésion de la moelle épinière (LM), avec un coût annuel de plus de 7 milliards de dollars pour traiter et réhabiliter ces patients. La communauté médicale a fait des progrès incroyables pour atténuer, voire inverser, les effets de la paralysie au cours du dernier quart de siècle, notamment les progrès de la pharmacologie, des technologies des cellules souches, de la neuromodulation et des prothèses externes. La stimulation électrique de la moelle épinière a déjà montré des résultats particulièrement prometteurs pour aider les patients atteints de lésions médullaires à se réadapter, améliorant non seulement la fonction des extrémités, mais également la spasticité, la vessie et le contrôle de la pression artérielle. Or, dans une étude publiée dans Nature Mardi, la start-up de thérapie SCI Onward Medical, a annoncé qu’elle avait aidé à améliorer la démarche de marche d’un ancien paraplégique grâce à l’utilisation d’une interface cerveau-ordinateur implantée (BCI) et d’un nouveau «pont numérique» qui couvre l’espace où la colonne vertébrale a été sectionnée.
Nous avons zappé la colonne vertébrale des patients paraplégiques avec des secousses à basse tension dans le cadre de leur réadaptation physique pendant des années dans un processus connu sous le nom de stimulation électrique fonctionnelle (FES). Les électrodes sont placées directement sur les nerfs qu’elles sont censées exciter – en contournant de l’extérieur leurs propres voies neuronales perturbées – et, lorsqu’elles sont activées, provoquent l’activation des nerfs situés en dessous et la contraction de leurs muscles. Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour restaurer le mouvement des mains et des bras chez certains patients, la capacité de se tenir debout et de marcher chez d’autres et, pour quelques chanceux, des exocombinaisons ! Les mouvements des membres qui en résultaient étaient cependant décidément disgracieux, entraînant des mouvements de bras lourds et des allures de marche qui ressemblaient davantage à des traînées.
Les recherches antérieures d’Onward sur la stimulation électrique péridurale ont montré qu’elle était efficace pour cibler les nerfs du bas du dos qui pouvaient être utilisés pour déclencher les muscles des jambes. Mais la thérapie à l’époque était entravée par le besoin de capteurs de mouvement portables et par « les participants… capacité limitée à adapter les mouvements des jambes à l’évolution du terrain et des exigences volitives ». Onward a abordé ce problème dans l’étude de mardi en incorporant un « pont numérique » pour surveiller les impulsions de commande du cerveau et les transmettre, sans fil et en temps réel, à un pack de stimulation implanté dans le bas du dos du patient.
Les cliniciens ont utilisé ces systèmes pendant une bonne partie d’une décennie pour aider à améliorer le contrôle et la fonction des membres supérieurs après une lésion médullaire – le propre système ARC EX d’Onward est conçu pour faire exactement cela – bien que cette étude ait été la première à appliquer les mêmes théories aux membres inférieurs. extrémités.
Le patient d’Onward était un homme de 38 ans qui avait subi une « lésion cervicale incomplète de la moelle épinière (C5/C6) » une décennie auparavant et qui avait suivi un programme de neuroréadaptation de cinq mois avec « une stimulation électrique épidurale ciblée de la moelle épinière ». en 2017. « Ce programme lui a permis de retrouver la capacité de marcher avec l’aide d’un déambulateur », a noté l’équipe de recherche dans le Nature étude. « Malgré l’utilisation continue de la stimulation à la maison, pendant environ trois ans, il avait atteint un plateau de récupération neurologique. »
En plus de l’EX, Onward Medical a également développé une thérapie d’électrostimulation montée en interne, l’ARC IM. Selon la société, il est « spécialement conçu pour être placé le long de la moelle épinière afin de stimuler les racines dorsales », afin d’aider à améliorer la régulation de la pression artérielle des patients atteints de SCI. Le système utilisé dans l’étude de mardi a utilisé l’ARC IM comme base et l’a marié à une interface d’ordinateur cérébral WIMAGINE.
En avant médicale
L’équipe d’Onward a d’abord dû installer le BCI à l’intérieur du crâne du patient. Techniquement, il s’agissait d’une paire d’implants d’électrodes à 64 dérivations, chacun monté dans un boîtier en titane de forme circulaire de 50 millimètres qui affleure le crâne. Le WIMAGINE « est moins invasif que d’autres options tout en offrant une résolution suffisante pour conduire la marche », a déclaré Dave Marver, PDG d’OnwardMedical, à Engadget par e-mail. « Il dispose également de données sur cinq ans qui démontrent la stabilité de la clarté des signaux produits. »
Deux antennes externes reposent sur le cuir chevelu, la première alimentant les implants via un couplage inductif, la seconde pour dériver le signal vers une station de base portable pour le décodage et le traitement. Le signal traité est ensuite transmis sans fil au générateur d’impulsions implantable ACTIVA RC situé au sommet de la région lombaire du patient où 16 électrodes implantées supplémentaires choquent les groupes nerveux appropriés pour déplacer leurs jambes. Ensemble, ils forment un système Brain Spine Interface (BSI), selon Onward.
L’ensemble de la configuration est conçu pour être utilisé indépendamment par le patient. Le marcheur d’assistance abrite tous les éléments BSI tandis qu’une interface de rétroaction tactile les aide à positionner correctement le casque et à calibrer l’algorithme prédictif.
Afin que le BCI et le générateur d’impulsions fonctionnent ensemble de manière transparente, Onward a mis à profit un « algorithme multilinéaire à commutation Aksenova/Markov qui reliait les signaux ECoG au contrôle des paramètres de stimulation électrique épidurale », ce qui semble si évident avec le recul. Fondamentalement, cet algorithme prédit deux choses : la probabilité que le patient ait l’intention de déplacer une articulation spécifique en fonction des signaux qu’il surveille, ainsi que l’amplitude et la direction de ce mouvement prévu présumé. Ces prédictions sont ensuite transférées dans un contrôleur analogique qui les traduit en commandes de code qui sont, à leur tour, transmises au générateur d’impulsions toutes les 300 millisecondes. Au total, le temps de latence entre la pensée du patient « Je devrais marcher là-bas » et le système décodant ces pensées n’est que de 1,1 seconde.
L’étalonnage du système pour le patient s’est avéré un processus tout aussi rapide. Le patient avait compris comment « activer » correctement les muscles de ses hanches pour générer suffisamment de couple pour balancer ses jambes dans les deux premières minutes d’essai – et l’a fait avec une précision de 97%. Au cours de la rééducation, le patient a réussi à contrôler les mouvements de chaque articulation de sa jambe (hanche, genou et cheville) avec une précision moyenne (en ce sens que le BSI a fait ce que le patient avait prévu) d’environ 75 %.
« Après seulement 5 minutes d’étalonnage, le BSI a permis un contrôle continu de l’activité des muscles fléchisseurs de la hanche », a poursuivi l’équipe, « ce qui a permis au participant de multiplier par cinq l’activité musculaire par rapport aux tentatives sans le BSI ». Malheureusement, ces gains ont été effacés dès que le BCI a été éteint, perdant instantanément la capacité de marcher, ont-ils expliqué. « La marche a repris dès que le BSI a été rallumé. »
Ce n’est pas seulement que le patient a pu passer de la marche avec un déambulateur à roues avant à des béquilles grâce à cette procédure – leur démarche de marche s’est également considérablement améliorée. « Par rapport à la stimulation seule, le BSI a permis de marcher avec des caractéristiques de marche nettement plus proches de celles quantifiées chez les individus en bonne santé », a écrit l’équipe Onward. Le patient a même pu utiliser le système pour traverser un terrain non pavé alors qu’il était sur ses béquilles, un exploit qui s’avère encore systématiquement dangereux pour de nombreux robots bipèdes.
En tout, le patient a suivi 40 séances de rééducation avec le BCI – un mélange de physio-réadaptation standard avec des exercices d’équilibre, de marche et de mouvement activés par le BCI. Le patient a vu des gains modérés dans ses scores sensoriels (toucher léger), mais une énorme augmentation de 10 points de ses scores WISCI II. WISCI II est l’indice de marche pour les lésions de la moelle épinière, une échelle de 21 points mesurant la capacité ambulatoire d’un patient allant de 20, « peut se déplacer sans assistance », à 0, « alité ». Le patient d’Onward est passé de 6 à 16 avec l’aide de cette thérapie.
« Comme le participant avait précédemment atteint un plateau de récupération après une rééducation intensive utilisant uniquement la stimulation de la moelle épinière, il est raisonnable de supposer que le BSI a déclenché une réorganisation des voies neuronales qui était responsable de la récupération neurologique supplémentaire », a écrit l’équipe Onward. « Ces résultats suggèrent que l’établissement d’un lien continu entre le cerveau et la moelle épinière favorise la réorganisation des voies neuronales résiduelles qui relient ces deux régions dans des conditions physiologiques normales. »
Bien que les résultats soient prometteurs, il reste encore beaucoup de travail à faire. L’équipe Onward affirme que les futures itérations nécessiteront « une miniaturisation de la station de base, de l’unité informatique et des antennes imperceptibles », des débits de données plus rapides, « des paramètres de stimulation polyvalents, un contrôle sans fil direct depuis l’unité informatique portable » et « un seul circuit intégré à faible consommation d’énergie ». intégrant un processeur neuromorphique doté d’une capacité d’auto-étalonnage qui traduit de manière autonome l’activité corticale en mises à jour des programmes de stimulation.
Malgré les défis techniques de taille, « le système BCI décrit dans le Nature la publication pourrait arriver sur le marché dans cinq à sept ans », a prédit Marver. « Il est possible et réaliste qu’une thérapie de stimulation de la moelle épinière augmentée par BCI soit sur le marché d’ici la fin de la décennie. »
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