Dans le domaine des neuroprothèses, les progrès scientifiques des dernières années sont impressionnants; des implants cochléaires qui permettent aux sourds d’entendre aux membres bioniques qui permettent aux paralysés de bouger. Le fonctionnement de ces interfaces cerveau-machine nécessite une excellente connaissance des circuits neuronaux sous-jacents ; petit détour par le laboratoire du Professeur Daniel Huber, à l’Université de Genève.
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Depuis 1969, lors des premières expériences neuroprosthétiques aux USA, les espérances de pouvoir commander des prothèses directement par l’activité du cerveau sont grandes. Le quotidien des personnes souffrant de handicaps physiques ou moteurs pourrait-il ainsi être grandement amélioré ? C’est ce que laissent espérer les recherches actuelles dont les découvertes, à terme, devraient permettre la conception de prothèses de plus en plus pratiques et efficaces.
Dans le laboratoire du Professeur Daniel Huber, à l’Université de Genève, le principal but des recherches en cours est tout d’abord la compréhension des circuits neuronaux lié à l’action volontaire. « Nous en savons pour l’instant tellement peu sur le fonctionnement du cerveau et ses circuits que nous sommes encore très loin d’avoir des applications concrètes », explique le Professeur. A terme, les découvertes pourraient toutefois permettre de réparer des circuits neuronaux défectueux ou de contrôler une prothèse par la pensée.
Si le contrôle neuronal de membres artificiels est possible pour quelques personnes dans le monde, beaucoup de problèmes subsistent. L’opération que doit subir le patient qui souhaite bénéficier d’un membre bionique est risquée ; elle consiste à poser un tapis d’électrodes dans son cerveau, enregistrant l’activité neuronale et la transmettant à la neuroprothèse qui, grâce à un algorithme, traduit le signal en mouvement.
Le cerveau sait ce qu’il doit faire, par apprentissage. « On demande au patient d’imaginer plusieurs mouvements ou sensations différentes afin d’évoquer de l’activité neuronale dans les cellules enregistrées. Une fois que ça marche, le patient doit essayer de recréer cette pensée qu’il vient d’avoir et on peut commencer à l’utiliser pour faire lever le bras robotique, explique Daniel Huber. Dans le cas d’un patient qui a perdu un membre, celui-ci peut encore se rappeler comment faire le mouvement. Lorsqu’il décide de lever le bras, l’ordinateur peut être entrainé à reconnaitre l’activation neuronale et la décodera par un algorithme pour que la prothèse réalise le mouvement. » Dans ces cas précis, l’apprentissage est souvent plus rapide, puisque les régions concernées de son cerveau sont encore préprogrammées pour certains mouvements et le patient s’en souvient encore facilement. Malheureusement, pour être vraiment efficace, cette approche nécessite d’enregistrer un grand nombre de neurones différents, ce qui est très difficile.
« Chez l’humain, les enregistrements ne sont toutefois pas très stables et ne durent souvent pas longtemps. Il faudrait alors régulièrement déplacer les électrodes des patients, ce qui comporte évidemment des risques conséquents » précise le chercheur.
Il préfère donc miser sur la découverte de régions cérébrales plus sensibles pour ce genre d’apprentissage avec la souris. Dans son laboratoire, il étudie l’activation neuronale volontaire dans le cerveau de ces rongeurs, qui sont certes petits mais suffisamment intelligents pour prendre des décisions complexes et les exécuter. L’enregistrement se fait de façon optique, qui a comme avantage d’être moins intrusif et d’enregistrer l’activité de plusieurs milliers de neurones simultanément. Avec un microscope très particulier, les chercheurs observent les cellules neuronales des souris, à travers une petite fenêtre en verre, placée au-dessus de la région cérébrale choisie. L’activité neuronale des cellules est visualisée grâce à un agent fluorescent, qui les rend lumineuses lorsqu’elles sont activées.
Pour ces recherches, les souris doivent apprendre à contrôler de façon volontaire leur activité neuronale, sans faire le mouvement particulier. En observant des dizaines de milliers de neurones avoisinants, les chercheurs tentent de comprendre l’organisation du circuit impliqué dans le contrôle des neurones choisis. « Cela nous permettra de savoir spécifiquement quels autres neurones ou quel circuit voisin participe à ce contrôle d’activité volontaire, afin de créer un modèle précis de l’organisation fonctionnelle de cette région du cerveau », précise le chercheur. « Le but de notre recherche est de déterminer dans quelle région du cerveau on apprend le plus rapidement et dans quelle région on garde cet apprentissage en mémoire » explique-t-il. « Pour l’instant nous pensons qu’elles sont situées dans les aires motrices et pré-motrices, mais peut-être qu’une autre région est plus sensible à l’apprentissage et offre plus de stabilité. »
Le futur nous apprendra peut-être que les régions du cerveau qui concernent la vue, l’ouïe ou même le langage pourraient être en fait plus sensibles et efficaces et qu’il suffira à l’avenir de simplement dire « gauche » pour exécuter ce mouvement précis vers la gauche !
S.H.
Photo : Daniel Huber, UNIGE
C’est un énorme progrès. Les patients qui ont été testés sont-ils jusqu’à maintenant débarrassés de leur handicap? L’action des neuroprothèses est donc similaire à celui des puces que l’on a implanté dans le cerveau de personnes qui avaient la maladie de Parkinson et qui leur permettait de ne plus ressentir les symptômes de la maladie?