Les neuroprothèses, également appelées interfaces cerveau-ordinateur, sont des dispositifs qui aident les personnes ayant une déficience motrice ou sensorielle à reprendre le contrôle de leurs sens et de leurs mouvements en créant une connexion entre le cerveau et un ordinateur. En d’autres termes, cette technologie permet aux gens de bouger, d’entendre, de voir et de toucher en utilisant le pouvoir de la pensée seul. Comment fonctionnent les neuroprothèses? Nous examinons cinq percées majeures dans ce domaine pour voir jusqu’où nous sommes arrivés – et jusqu’où nous pouvons aller – en utilisant seulement la puissance de notre esprit.
Chaque année, des centaines de milliers de personnes dans le monde perdent le contrôle de leurs membres à la suite d’une blessure à la moelle épinière. Aux États-Unis, jusqu’à 347 000 personnes vivent avec une lésion de la moelle épinière (LME) et près de la moitié de ces personnes ne peuvent plus se déplacer.
Pour ces personnes, les dispositifs neuroprosthétiques peuvent offrir un espoir bien nécessaire.
Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) impliquent généralement des électrodes – placées sur le crâne humain, sur la surface du cerveau ou dans les tissus du cerveau – qui surveillent et mesurent l’activité cérébrale qui se produit lorsque le cerveau «pense» une pensée. Le modèle de cette activité cérébrale est ensuite «traduit» en un code, ou algorithme, qui est «introduit» dans un ordinateur. L’ordinateur, à son tour, transforme le code en commandes qui produisent un mouvement.
Les neuroprothèses ne sont pas seulement utiles pour les personnes qui ne peuvent pas bouger les bras et les jambes; ils aident également ceux qui ont des handicaps sensoriels. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) estime qu’environ 360 millions de personnes dans le monde souffrent d’une perte auditive invalidante, tandis que 39 millions de personnes sont aveugles.
Pour certaines de ces personnes, les neuroprothèses comme les implants cochléaires et les yeux bioniques leur ont redonné leurs sens et, dans certains cas, leur ont permis d’entendre ou de voir pour la toute première fois.
Ici, nous passons en revue cinq des développements les plus importants dans la technologie neuroprosthétique, en regardant comment ils fonctionnent, pourquoi ils sont utiles, et comment certains d’entre eux se développeront dans le futur.
Implant d’oreille
Probablement le plus ancien dispositif neuroprosthétique, les implants cochléaires (ou implants auriculaires) existent depuis quelques décennies et sont la quintessence des neuroprothèses réussies.
La Food and Drug Administration des États-Unis (FDA) a approuvé les implants cochléaires dès 1980, et en 2012, près de 60 000 individus américains avaient eu l’implant. Dans le monde, plus de 320 000 personnes ont eu l’appareil implanté.
Un implant cochléaire fonctionne en contournant les parties endommagées de l’oreille et en stimulant le nerf auditif avec des signaux obtenus à l’aide d’électrodes. Les signaux transmis par le nerf auditif au cerveau sont perçus comme des sons, bien que l’audition à travers un implant d’oreille soit très différente de l’audition régulière.
Bien qu’imparfaits, les implants cochléaires permettent aux utilisateurs de distinguer la parole en personne ou au téléphone, les médias regorgent de témoignages émotifs de personnes qui ont pu s’entendre pour la première fois en utilisant ce dispositif neuroprosthétique sensoriel.
Ici, vous pouvez regarder une vidéo d’une femme de 29 ans qui s’entend pour la première fois avec un implant cochléaire:
Implant oculaire
La première rétine artificielle – appelée Argus II – est entièrement fabriquée à partir d’électrodes implantées dans l’œil et a été approuvée par la FDA en février 2013. De la même manière que l’implant cochléaire, cette neuroprothèse contourne la partie endommagée de la rétine et transmet signaux, capturés par une caméra attachée, au cerveau.
Ceci est fait en transformant les images en pixels clairs et sombres qui deviennent des signaux électriques. Les signaux électriques sont ensuite envoyés aux électrodes, qui, à leur tour, envoient le signal au nerf optique du cerveau.
Bien qu’Argus II ne rétablisse pas complètement la vision, il permet aux patients atteints de rétinite pigmentaire – une affection qui endommage les photorécepteurs de l’œil – de distinguer les contours et les formes, ce qui, selon de nombreux patients, fait une différence significative dans leur vie.
La rétinite pigmentaire est une maladie neurodégénérative qui affecte environ 100 000 personnes aux États-Unis. Depuis son approbation, plus de 200 patients atteints de rétinite pigmentaire ont eu l’implant Argus II, et la société qui le conçoit travaille actuellement à la détection des couleurs et à la résolution de l’appareil.
Neuroprothèses pour les personnes atteintes de LM
On estime que près de 350 000 personnes aux États-Unis vivent avec une LM et que 45% de celles qui ont subi une LM depuis 2010 sont considérées comme tétraplégiques – c’est-à-dire paralysées du cou.
Au, nous avons récemment rapporté une expérience révolutionnaire d’un patient qui a permis à un homme atteint de quadriplégie de bouger ses bras en utilisant le pouvoir absolu de ses pensées.
Bill Kochevar avait des électrodes adaptées chirurgicalement dans son cerveau. Après avoir appris au BCI à «apprendre» l’activité cérébrale correspondant aux mouvements auxquels il pensait, cette activité a été transformée en impulsions électriques qui ont ensuite été retransmises aux électrodes de son cerveau.
De la même manière que les implants cochléaires et visuels contournent la zone endommagée, cette zone BCI évite également le «court-circuit» entre le cerveau et les muscles du patient créés par SCI.
Avec l’aide de ce neuroprosthétique, le patient a pu boire et se nourrir avec succès. «C’était incroyable», dit Kochevar, «parce que je pensais à bouger mon bras et ça l’a fait. Kochevar a été le premier patient au monde à tester le dispositif neuroprothétique, qui n’est actuellement disponible qu’à des fins de recherche.
Vous pouvez en apprendre plus sur cette neuroprothèse à partir de la vidéo ci-dessous:
Cependant, ce n’est pas là que s’arrêtent les neuroprothèses SCI.Le laboratoire Courtine, dirigé par le neuroscientifique Grégoire Courtine à Lausanne, en Suisse, travaille sans relâche pour aider les personnes blessées à reprendre le contrôle de leurs jambes. Leurs efforts de recherche sur les rats ont permis aux rongeurs paralysés de marcher en utilisant des signaux électriques et en stimulant les nerfs dans la moelle épinière sectionnée.
« Nous pensons que cette technologie pourrait un jour améliorer significativement la qualité de vie des personnes confrontées à des troubles neurologiques », explique Silvestro Micera, co-auteur de l’expérience et neuro-ingénieur chez Courtine Labs.
Récemment, le professeur Courtine a également dirigé une équipe internationale de chercheurs pour créer avec succès un mouvement volontaire de la jambe chez des singes rhésus. C’était la première fois qu’un neuroprosthétique était utilisé pour permettre la marche chez des primates non humains.
Cependant, «cela peut prendre plusieurs années avant que tous les composants de cette intervention puissent être testés sur des personnes», explique le professeur Courtine.
Un bras qui sent
Silvestro Micera a également dirigé d’autres projets sur les neuroprothèses, parmi lesquels le bras qui «sent». En 2014, a rapporté sur la première main artificielle qui a été améliorée avec des capteurs.
Les chercheurs ont mesuré la tension dans les tendons de la main artificielle qui contrôle les mouvements de préhension et l’a transformée en courant électrique. À son tour, en utilisant un algorithme, cela s’est traduit par des impulsions qui ont ensuite été envoyées aux nerfs dans le bras, produisant un sentiment de toucher.
Depuis lors, le bras prothétique qui « sent » a été amélioré encore plus. Des chercheurs de l’Université de Pittsburgh et de l’Université de Pittsburgh Medical Center, tous deux en Pennsylvanie, ont testé le BCI sur un seul patient atteint de quadriplégie: Nathan Copeland.
Les scientifiques ont implanté une gaine de microélectrodes sous la surface du cerveau de Copeland – à savoir dans son cortex somatosensoriel primaire – et les ont connectées à un bras prothétique équipé de capteurs. Cela a permis au patient de ressentir des sensations de contact qui lui semblaient appartenir à sa propre main paralysée.
Alors qu’il avait les yeux bandés, Copeland a pu identifier le doigt sur son bras prothétique. Les sensations qu’il percevait variaient en intensité et étaient perçues différemment par la pression.
Neuroprothèses pour les neurones?
Nous avons vu que les prothèses contrôlées par le cerveau peuvent restaurer le sens du toucher, de l’ouïe, de la vue et du mouvement des patients, mais pouvons-nous construire des prothèses pour le cerveau lui-même?
Des chercheurs de l’Australian National University (ANU) à Canberra ont réussi à développer artificiellement des cellules cérébrales et à créer des circuits cérébraux fonctionnels, ouvrant la voie à la neuroprothèse pour le cerveau.
En appliquant la géométrie des nanofils à une plaquette semi-conductrice, le Dr Vini Gautam, de l’école de recherche de l’ANU, et ses collègues ont mis au point un échafaudage qui permet aux cellules du cerveau de croître et de se connecter synaptiquement.
Le Dr Vincent Daria, chef du groupe de projet, de la John Curtin School of Medical Research en Australie, explique le succès de leur recherche:
«Nous avons pu faire des connexions prédictives entre les neurones et les démontrer fonctionnelles avec des neurones fonctionnant de manière synchrone, ce qui pourrait ouvrir un nouveau modèle de recherche qui établit un lien plus fort entre la nanotechnologie des matériaux et les neurosciences.
Les neuroprothèses pour le cerveau pourraient un jour aider les patients qui ont subi un AVC ou qui vivent avec des maladies neurodégénératives à se rétablir neurologiquement.
Chaque année aux États-Unis, près de 800 000 personnes ont subi un AVC et plus de 130 000 personnes en meurent. Les maladies neurodégénératives sont également répandues, 5 millions d’adultes américains étant atteints de la maladie d’Alzheimer, 1 million ayant la maladie de Parkinson et 400 000 souffrant de sclérose en plaques.
Découvrez la plus récente initiative de Facebook: le développement des BCI.
