Étude : La stimulation électrique peut restaurer la capacité de bouger les membres et de recevoir des informations sensorielles après une lésion de la moelle épinière | Université Brown
https://share.google/jl9oV9cFG1sCwzSqdÉtude : La stimulation électrique peut restaurer la capacité de bouger les membres et de recevoir des informations sensorielles après une lésion de la moelle épinière
De nouveaux résultats issus d'un essai clinique montrent que la stimulation électrique de la moelle épinière peut rétablir le contrôle musculaire et le retour sensoriel nécessaires à la coordination des mouvements de marche.
PROVIDENCE, RI [Université Brown] — Les conséquences des lésions médullaires sont complexes et multiples. Les personnes atteintes perdent non seulement la capacité de contrôler les mouvements de leurs membres, mais aussi celle de recevoir des informations sensorielles. Or, ces deux éléments sont essentiels à la coordination des mouvements nécessaires à la marche.
Une équipe de chercheurs de l'Université Brown, de l'hôpital Rhode Island et du centre de soins pour anciens combattants Providence Healthcare a réalisé des progrès significatifs dans le rétablissement de la communication bidirectionnelle au niveau d'une lésion de la moelle épinière. Dans une étude publiée dans Nature Biomedical Engineering , les chercheurs présentent les résultats d'un essai clinique mené auprès de trois personnes ayant perdu l'usage de leurs jambes suite à une lésion médullaire complète.
Les participants ont reçu une stimulation électrique de la moelle épinière grâce à des électrodes implantées au-dessus et en dessous de leur lésion. L'étude a révélé que la stimulation en dessous de la lésion permettait de restaurer partiellement le contrôle musculaire des membres inférieurs, tandis que la stimulation au-dessus de la lésion permettait aux participants de percevoir la position de leurs jambes dans l'espace lors de la marche sur tapis roulant, avec l'aide de kinésithérapeutes.
« C’est la première fois qu’une stimulation motrice et un retour sensoriel simultanés sont démontrés chez des personnes atteintes de lésions médullaires complètes », a déclaré David Borton, professeur associé d’ingénierie à l’université Brown et ingénieur biomédical au Centre de neurorestauration et de neurotechnologie du Département des anciens combattants (VA). « Il s’agit d’une étape importante vers l’objectif de combler entièrement le déficit causé par une lésion médullaire. En assurant à la fois une activation motrice et un retour sensoriel simultané, nous progressons vers la restauration de la coordination motrice et de l’autonomie fonctionnelle. »
Cette recherche, financée par le gouvernement fédéral, est le fruit d'une collaboration entre des scientifiques et des cliniciens de l'Institut de biologie, d'ingénierie et de médecine de Brown et de l'Institut Carney pour les sciences du cerveau , du service de neurochirurgie de l'hôpital de Rhode Island, du Centre VA de neurorestauration et de neurotechnologie, et d'autres institutions.
« Nous sommes infiniment reconnaissants aux participants qui se sont portés volontaires pour cette étude sans attendre de bénéfice à long terme », a déclaré Borton, auteur principal de l'étude. « Leur générosité ouvre la voie à de futures recherches visant à restaurer pleinement les fonctions perdues à la suite de lésions médullaires dévastatrices. »
Le Dr Jared Fridley, chef du service de neurochirurgie spinale de l'Université du Texas à Austin, qui a contribué à la recherche lorsqu'il était neurochirurgien à l'hôpital de Rhode Island, a déclaré que cette recherche démontre ce qui est possible lorsque l'innovation en ingénierie est intégrée aux neurosciences cliniques.
« En restaurant simultanément l'activation motrice et un retour sensoriel significatif, nous passons d'une fonction isolée à un mouvement coordonné et intentionnel », a déclaré Fridley. « C'est une étape cruciale pour que les neurotechnologies permettent une réelle autonomie aux personnes atteintes de lésions médullaires graves. »
« Ce travail met en lumière l’importance de la collaboration entre le Centre de neurotechnologie innovante pour la réparation neuronale (CINNR) et le service de neurochirurgie de l’Institut Norman Prince de la colonne vertébrale pour faire progresser la neuromodulation et les neurotechnologies visant à améliorer le pronostic des patients atteints de lésions médullaires graves », a déclaré Theresa Williamson, MD, directrice du Centre de chirurgie mini-invasive et endoscopique de la colonne vertébrale de l’Institut Norman Prince de la colonne vertébrale et directrice du CINNR. « Je suis ravie de poursuivre cette collaboration avec le professeur Borton et nos partenaires en neurochirurgie et à l’Institut Carney des sciences du cerveau de l’Université Brown. »
Stimulation au-dessus et en dessous du site de la lésion
Pour cette étude, l'équipe a recruté trois volontaires paralysés des membres inférieurs suite à une lésion médullaire. Au début de l'étude, d'une durée de deux semaines et menée en milieu hospitalier, les chirurgiens ont implanté de petites électrodes au-dessus et en dessous de la lésion, le long de la moelle épinière des participants. Ces électrodes ont délivré une stimulation électrique ciblée à la moelle épinière, capable de reproduire les impulsions électriques naturelles qui circulent dans une moelle épinière saine.
Des recherches antérieures menées par Borton et d'autres chercheurs avaient démontré que ce type de stimulation spinale programmée pouvait être utilisé pour contrôler les muscles chez les primates non humains , ouvrant ainsi la voie à des études translationnelles chez l'humain. Cependant, personne n'avait encore tenté de combiner, chez un même individu, une stimulation motrice sous la lésion avec une stimulation sensorielle au-dessus. « La plupart des lésions médullaires altèrent le système sensoriel, ce qui signifie que les personnes ne reçoivent pas de retour sensoriel exploitable en provenance de la zone située sous la lésion », explique Borton. « Ce retour sensoriel est essentiel à la coordination des mouvements, comme la marche. Sans lui, les personnes dépendent de leur vision pour se repérer dans l'espace, ce qui est loin d'être idéal. L'objectif de ces travaux était de combiner la stimulation pour l'activation musculaire avec la stimulation pour le retour sensoriel, et de réaliser ces deux actions simultanément, franchissant ainsi une étape cruciale pour la mise en œuvre concrète des neurotechnologies. »
Pour commencer, les chercheurs ont collaboré avec les participants à l'essai afin d'optimiser la stimulation électrique des nerfs de la moelle épinière responsables des mouvements musculaires liés à la marche. Les participants utilisaient un dispositif de contrôle leur permettant d'ajuster personnellement les schémas de stimulation de leur colonne vertébrale. Ce dispositif, que l'équipe de recherche surnomme « tableau de mixage », est doté de plusieurs boutons et curseurs permettant aux participants de contrôler les zones de la moelle épinière stimulées, ainsi que la vitesse et l'intensité de la stimulation. Les participants ont utilisé ce dispositif pour identifier les schémas de stimulation qui induisaient la flexion et le relâchement des muscles des jambes.
« Les participants nous ont confié que l'utilisation de la planche DJ était vraiment très amusante », a déclaré Jonathan Calvert, auteur principal de l'étude et professeur adjoint de neurochirurgie à l'Université de Californie à Davis, qui a participé au projet en tant que chercheur postdoctoral à Brown. « Nous leur avons indiqué des positions et des poses cibles pour les jambes, et ils ont exploré la planche jusqu'à trouver les schémas de stimulation adéquats pour réaliser la pose souhaitée. Ils ont vraiment apprécié de pouvoir à nouveau sentir leurs jambes bouger et d'avoir le contrôle grâce à l'interface. »
Les chercheurs ont ensuite utilisé les données issues des expériences sur la planche DJ pour entraîner un modèle d'apprentissage automatique développé par Thomas Serre, professeur de sciences cognitives et linguistiques à l'université Brown. L'algorithme a optimisé les schémas de stimulation, trouvant les correspondances les plus précises entre l'activité musculaire souhaitée et les paramètres de stimulation.
« L’espace des stimulations possibles est immense, bien trop vaste pour être exploré efficacement par tâtonnement », explique Lakshmi Narasimhan Govindarajan, co-auteure de l’étude et récemment diplômée du laboratoire de Serre, actuellement chercheuse postdoctorale au MIT. « L’apprentissage automatique offre la possibilité de rechercher et de personnaliser plus efficacement les schémas de stimulation afin qu’ils correspondent plus précisément à l’activité musculaire que nous recherchions chez chaque participant. »
Les chercheurs ont ensuite utilisé un procédé similaire pour optimiser la stimulation au-dessus du site de la lésion afin de produire un retour sensoriel utile. Étant donné que les connexions neuronales des voies sensorielles vers le cerveau ont été sectionnées, il est actuellement impossible de cibler directement la stimulation électrique sur les nerfs associés aux sensations des jambes ou des pieds. L'objectif de cette étude était donc de tester si les sensations générées par la stimulation de la moelle épinière au-dessus de la lésion, réseaux qui relient encore les sensations provenant d'autres parties du corps au cerveau, pourraient être utilisées pour remplacer les sensations de mouvement des jambes ou des pieds.
« Nous avons utilisé une approche de substitution sensorielle où des sensations spécifiques sont associées à des actions ou des stimuli spécifiques afin de permettre aux participants de réinterpréter les signaux sensoriels », a expliqué Calvert. « Dans ce cas précis, les participants peuvent ressentir une sensation dans la poitrine, le bras ou le dos, mais ils peuvent apprendre à associer ces sensations à différents angles articulaires des jambes. »
Les participants utilisaient une planche de DJ pour sélectionner la zone du corps où recevoir le retour sensoriel. Un algorithme d'apprentissage automatique permettait ensuite de corréler la stimulation électrique avec différentes positions des articulations des genoux. Afin de démontrer l'utilité de ce retour sensoriel, des kinésithérapeutes plaçaient les jambes des participants dans des positions avec différents degrés de flexion des genoux. Les yeux bandés, les participants devaient ensuite indiquer avec leurs bras la position qu'ils percevaient pour leurs jambes, en se basant sur les sensations de la stimulation électrique.
Les participants ont pu utiliser le retour sensoriel fourni par la stimulation pour rapporter avec précision les angles articulaires.
« Nous avons constaté que les participants pouvaient indiquer avec une grande précision l'angle de leur genou en fonction de l'intensité des sensations générées par la stimulation », a déclaré Calvert. « Cela nous indique que ces sensations fournissent un retour sensoriel utile pour savoir où se trouvent leurs jambes dans l'espace à tout moment. Les participants ont indiqué que ce type de retour sensoriel pourrait leur être très utile au quotidien, notamment pour se déplacer de leur fauteuil roulant à la maison. »
L'association du mouvement et de la sensation
Ayant établi que la stimulation pouvait induire à la fois un contrôle musculaire et un retour sensoriel, l'équipe a mené une expérience combinant les deux. Suspendus à un harnais fixé au plafond et assistés par des kinésithérapeutes, les participants ont effectué des mouvements de marche sur un tapis roulant. L'expérience a démontré qu'ils pouvaient solliciter simultanément les muscles nécessaires à la marche tout en signalant avec précision le moment où leurs pieds touchaient le sol.
Les participants ont indiqué que les sensations éprouvées leur étaient utiles pour coordonner leurs mouvements.
« Je sentais quand mon pied touchait le tapis roulant grâce aux sensations que j'avais jusqu'ici [en pointant ma poitrine] », a déclaré un participant. « Je ne sentais pas vraiment mon pied heurter le tapis, mais c'était tout près. »
Les résultats suggèrent que la stimulation médullaire pourrait permettre aux personnes atteintes de lésions médullaires de bénéficier à la fois d'un contrôle moteur et d'un retour sensoriel utile. Ce type de retour pourrait s'avérer précieux pour les futurs patients en rééducation après une lésion médullaire.
« Il y a lieu de croire qu'une stimulation coordonnée au niveau de la lésion pourrait avoir des effets positifs sur la rééducation », a déclaré Borton. « Nous n'avons pas pu explorer pleinement cette piste dans cette étude, mais nous comptons l'approfondir dans de futurs travaux. »
Aucun effet indésirable lié au dispositif (électrodes implantées ou protocoles de stimulation électrique) n'a été rapporté par les participants, ce qui ouvre la voie à des études cliniques complémentaires. L'équipe prévoit de recruter de nouveaux participants pour une étude à plus long terme évaluant la stimulation médullaire en dehors du milieu hospitalier.
« Nous sommes enthousiasmés par le potentiel des neurotechnologies pour compléter la longue tradition des approches pharmaceutiques visant à aider les personnes atteintes de lésions de la moelle épinière », a déclaré Borton.
Cette recherche a été soutenue par un financement de la Defense Advanced Research Projects Agency (D15AP00112, D19AC00015), du Department of Veterans Affairs (I01RX002835, A9263A-S) et des National Institutes of Health (5T32NS100663-04, S10OD02518).
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