Du rat à l’homme: projet NEUWalk près des essais cliniques

 

Lausanne, Suisse. Des chercheurs de l’EPFL ont découvert comment contrôler les membres d’un rat complètement paralysé en temps réel pour l’aider à marcher. Leurs résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Science Translational Medicine.

S’appuyant sur les travaux antérieurs chez le rat, cette nouvelle avancée fait partie d’un traitement plus général qui pourrait un jour être mis en œuvre dans les programmes de réadaptation pour les personnes atteintes de lésions de la moelle épinière, en cours d’élaboration dans un projet européen appelé NEUWalk. Les essais cliniques pourraient commencer dès l’été prochain en utilisant la nouvelle plate-forme de Gait au Centre Hospitalier Universitaire Vaudois).

Comment ça marche

Le corps humain a besoin d’électricité pour fonctionner. La sortie électrique du cerveau humain, par exemple, est d’environ 30 watts. Lorsque les circuits du système nerveux sont endommagés, la transmission des signaux électriques est réduite, ce qui conduit souvent à des troubles neurologiques comme la paralysie.

La stimulation électrique du système nerveux est connue pour aider à soulager ces troubles neurologiques à de nombreux niveaux. La stimulation cérébrale profonde est utilisée pour traiter des tremblements associés à la maladie de Parkinson, par exemple. Les signaux électriques peuvent être conçus pour stimuler les nerfs afin de restaurer un sens du toucher dans le membre manquant d’amputés. Et la stimulation électrique de la moelle épinière peut restaurer le contrôle des mouvements chez les blessés de la moelle épinière.

Mais des signaux électriques peuvent-ils être conçus pour aider un paraplégique à marcher naturellement ? La réponse est oui, pour les rats au moins.

« Nous avons le contrôle complet des membres postérieurs du rat », explique Grégoire Courtine neuroscientifique à l’EPFL. « Le rat n’a pas la maîtrise de ses membres, mais la moelle épinière sectionnée peut être réactivé et stimulé pour effectuer une marche naturelle. Nous pouvons contrôler en temps réel la manière dont le rat va de l’avant et à quelle hauteur il soulève ses jambes. »

Les scientifiques ont étudié des rats dont la moelle épinière a été complètement sectionnée au milieu dos, de sorte que les signaux du cerveau sont incapables d’atteindre la moelle épinière inférieure. C’est là que des électrodes souples ont été implantés chirurgicalement. L’envoi d’un courant électrique à travers les électrodes a stimulé la moelle épinière.

Ils ont réalisé qu’il y avait une relation directe entre la capacité du rat à se lever sur ses membres et la fréquence de la stimulation électrique. Sur cette base et une surveillance attentive des habitudes de marche du rat – sa démarche – les chercheurs ont spécialement conçus la stimulation électrique pour adapter la foulée du rat en prévision des obstacles à venir, comme des barrières ou des escaliers.

« Des découvertes scientifiques simples sur la façon dont fonctionne le système nerveux peuvent être exploités pour développer des technologies de neuroprothèses plus efficaces », explique le co-auteur Silvestro Micera. « Nous pensons que cette technologie pourrait un jour améliorer de manière significative la qualité de vie des personnes avec des troubles neurologiques. »

Vers des essais cliniques utilisant la plate-forme de la marche au CHUV

La stimulation électrique rapportée dans cette étude sera testé chez des patients atteints de lésions de la moelle épinière incomplète dans une étude clinique qui commencera dès l’été prochain, à l’aide d’une nouvelle plate-forme de la marche.

Conçu par l’équipe de Courtine, la plate-forme de la marche est faite d’équipements sur mesure comme un tapis roulant et un système de soutien, ainsi que 14 caméras infrarouges qui détectent des marqueurs réfléchissants sur le corps du patient et deux caméras vidéo, qui génèrent des quantités importantes d’informations sur la jambe et le mouvement du corps. Cette information peut être entièrement synchronisée pour un suivi complet et un réglage fin de l’équipement afin d’obtenir une assistance intelligente et adaptative pour la stimulation électrique de la moelle épinière du patient.

La plate-forme de la marche se trouve dans une salle de 100 m2 fourni par le CHUV. L’hôpital dispose déjà d’un centre de réadaptation dédiée à la recherche translationnelle, notamment pour les pathologies orthopédiques et neurologiques.

« La plate-forme de la marche n’est pas un centre de réadaptation », explique Courtine. « C’est un laboratoire de recherche où nous serons en mesure d’étudier et de développer de nouvelles thérapies utilisant une technologie très spécialisée en étroite collaboration avec des experts médicaux ici au CHUV, comme les physiothérapeutes et les médecins. »

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:arrow: TEXTE ORIGINAL EN ANGLAIS
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DATE: 24-Sep-2014

From rats to humans: Project NEUWalk closer to clinical trials

Lausanne, Switzerland. EPFL scientists have discovered how to control the limbs of a completely paralyzed rat in real time to help it walk again. Their results are published today in Science Translational Medicine.

Building on earlier work in rats, this new breakthrough is part of a more general therapy that could one day be implemented in rehabilitation programs for people with spinal cord injury, currently being developed in a European project called NEUWalk. Clinical trials could start as early as next summer using the new Gait Platform now assembled at the CHUV (Lausanne University Hospital).

How it works

The human body needs electricity to function. The electrical output of the human brain, for instance, is about 30 watts. When the circuitry of the nervous system is damaged, the transmission of electrical signals is impaired, often leading to devastating neurological disorders like paralysis.

Electrical stimulation of the nervous system is known to help relieve these neurological disorders at many levels. Deep brain stimulation is used to treat tremors related to Parkinson’s disease, for example. Electrical signals can be engineered to stimulate nerves to restore a sense of touch in the missing limb of amputees. And electrical stimulation of the spinal cord can restore movement control in spinal cord injury.

But can electrical signals be engineered to help a paraplegic walk naturally? The answer is yes, for rats at least.

« We have complete control of the rat’s hind legs, » says EPFL neuroscientist Grégoire Courtine. « The rat has no voluntary control of its limbs, but the severed spinal cord can be reactivated and stimulated to perform natural walking. We can control in real-time how the rat moves forward and how high it lifts its legs. »

The scientists studied rats whose spinal cords were completely severed in the middle-back, so signals from the brain were unable to reach the lower spinal cord. That’s where flexible electrodes were surgically implanted. Sending electric current through the electrodes stimulated the spinal cord.

They realized that there was a direct relationship between how high the rat lifted its limbs and the frequency of the electrical stimulation. Based on this and careful monitoring of the rat’s walking patterns – its gait – the researchers specially designed the electrical stimulation to adapt the rat’s stride in anticipation of upcoming obstacles, like barriers or stairs.

« Simple scientific discoveries about how the nervous system works can be exploited to develop more effective neuroprosthetic technologies, » says co-author and neuroengineer Silvestro Micera. « We believe that this technology could one day significantly improve the quality of life of people confronted with neurological disorders. »

Taking this idea a step further, Courtine and Micera together with colleagues from EPFL’s Center for Neuroprosthetics are also exploring the possibility of decoding signals directly from the brain about leg movement and using this information to stimulate the spinal cord.

Towards clinical trials using the Gait Platform at the CHUV

The electrical stimulation reported in this study will be tested in patients with incomplete spinal cord injury in a clinical study that may start as early as next summer, using a new Gait Platform that brings together innovative monitoring and rehabilitation technology.

Designed by Courtine’s team, the Gait Platform consists of custom-made equipment like a treadmill and an overground support system, as well as 14 infrared cameras that detect reflective markers on the patient’s body and two video cameras, all of which generate extensive amounts of information about leg and body movement. This information can be fully synchronized for complete monitoring and fine-tuning of the equipment in order to achieve intelligent assistance and adaptive electrical spinal cord stimulation of the patient.

The Gait Platform is housed in a 100 square meter room provided by the CHUV. The hospital already has a rehabilitation center dedicated to translational research, notably for orthopedic and neurological pathologies.

« The Gait Platform is not a rehabilitation center, » says Courtine. « It is a research laboratory where we will be able to study and develop new therapies using very specialized technology in close collaboration with medical experts here at the CHUV, like physiotherapists and doctors. »

Source : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-09/epfd-frt092114.php


Des rats paraplégiques qui remarchent: les… par sciencesetavenir

Dans la continuité du projet de recherche du laboratoire du Pr. Grégoire Courtine au Center for Neuroprosthetics and Brain Mind Institute à Zurich (Suisse), initié en 2012, que nous avons aussi financé en 2013, le Conseil d’Administration d’ALARME a décidé de continuer à financer le projet en 2014 : « COMBINING NEUROREHABILITATIVE AND NEUROREGENERATIVE THERAPIES TO RESTORE LOCOMOTOR FUNCTIONS AFTER COMPLETE SCI ». Montant global de la subvention : 30 000 euros

BILAN année 2013 :

Le projet avance rapidement. Leurs collaborateurs américains sont venus participer aux chirurgies au 2ème trimestre 2013. Les premiers résultats ont été obtenus dès cette année 2013. Ils ont réalisé les études planifiées. Malgré des problèmes pour transférer tous les détails de la technologie des cellules souches de San Diego à Lausanne, ils sont parvenus à observer les premiers mouvements des membres paralysés avec une lésion complète de la moelle épinière sur le modèle animal. Cela est très prometteur.

Pour information, une équipe indépendante financée par la NIH (National Institute of Health, USA) vient de publier une réplication de leur approche dans Cell (la meilleure revue scientifique avecNature et Science). Ce qui confirme l’efficacité de cette voie de recherche. Donc, l’équipe de chercheurs dirigés par le Prof. Grégoire Courtine est d’autant plus impatient d’aller de l’avant.

Grace aux fonds de recherche d’ALARME, l’équipe du Pr. Courtine a recruté un nouveau doctorant spécialisé qui vient de Californie pour optimiser la greffe de cellules souches avec des biogels sur les lésions médullaires complètes. C’est l’avancée qu’ils programment de tester pour 2014.

Voici un résumé de leur recherche :

Aucune intervention n’a rétabli jusqu’à ce jour le contrôle volontaire de la locomotion après une lésion de la moelle épinière (LME) conduisant à une paralysie chronique. Nous avons récemment mis en place une neuroprothèse électrochimique et une interface robotique posturale conçue pour encourager les mouvements des circuits supraspinaux chez les rats avec des lésions paralysantes (van den Brand, Heutschi et al. 2012). Nous avons appelé cette nouvelle intervention thérapeutique « entrainement neuroprosthétique multi-système ».

Nous avons induit deux hémisections latérales opposés à deux niveaux dorsaux différents chez le rat adulte. Cette lésion interrompt complètement tous les faisceaux descendants, mais laisse un espace intermédiaire du tissu nerveux intact, comme habituellement observé chez l’homme avec des blessures paralysantes.

Malgré l’interruption complète de voies directes supraspinales, le cortex a retrouvé la capacité de transformer l’information contextuelle en commandes spécifiques pour exécuter une locomotion raffinée. Cette reprise s’est appuyé sur le remodelage complet de projections corticales, y compris la formation de relais intrarachidiens qui ont rétabli le contrôle qualitatif sur les circuits lombo-sacrés activés électrochimiquement.

Notre prochain objectif important est de déterminer si l’entrainement neuroprosthétique multi-système est capable de restaurer la locomotion volontaire après une LME complète, c’est à dire quand toutes les fibres supraspinales et intraspinales ont été interrompues. Pour atteindre cet objectif, nous cherchons à combiner l’entrainement neuroprosthétique multi-système avec des implants révolutionnaires de cellules souches neurales incorporés dans des matrices de fibrine qui libèrent des facteurs de croissance. Contrairement aux études précédentes utilisant uniquement des implants de cellules souches neurales, cette nouvelle approche favorise une repousse importante et sur une longue distance des projections axonales fonctionnelles dans le tissu hôte (Lu, Wang et al. 2012).

Nous émettons l’hypothèse que la combinaison de thérapies neuroréhabilitative et neurorégénérative favorisera l’établissement de nouveaux circuits relais à travers la lésion qui vont restaurer le contrôle volontaire de la locomotion et d’autres fonctions physiologiques (contrôle de la vessie, par exemple) chez les rats adultes atteints de LME complète. Ces interventions sont actuellement testées chez des primates (cellules souches) et des études cliniques humaines (entrainement neuroprosthétique multi-système). Ce type d’interventions combinatoires peuvent conduire à des applications cliniques viables pour les humains ayant subis une lésion sévère de la moelle épinière.

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