Ce cerveau

En 2011, Gert-Jan Oskam a perdu la capacité de marcher. Douze ans plus tard, des neuroscientifiques de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, l'ont aidé à se remettre sur pied.

Oskam, qui a subi un traumatisme de la colonne cervicale suite à un accident de vélo, a retrouvé le contrôle de ses jambes avec l'aide des scientifiques du centre de recherche NeuroRestore de l'EPFL dirigé par Grégoire Courtine, professeur d'ingénierie des sciences de la vie. Courtine et ses collaborateurs, qui recherchent et développent des neurotechnologies pour l'assistance physique et la réadaptation, ont implanté à Oskam un appareil qui remplace partiellement les fonctions perdues de sa colonne vertébrale endommagée.

Dans un récent article publié le 24 mai dans Nature Neuroscience, Courtine et son groupe présentent les détails du rétablissement d'Oskam. Des blessures comme celles subies par Oskam sont le résultat de dommages aux tissus de la colonne vertébrale d'une personne, coupant la communication neuronale du cerveau au reste du corps. Sans ce lien entre les systèmes nerveux et musculaire, une personne ne pourrait pas bouger comme elle le souhaite. Dans le cas d'Oskam, la blessure à sa colonne cervicale a effectivement déconnecté son cerveau de ses jambes, ce qui l'a empêché de marcher.

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La recherche de Courtine présente une solution à ce problème sous la forme d'une interface cerveau-colonne vertébrale, ou BSI. Le BSI fonctionne en deux étapes. Premièrement, une interface cerveau-ordinateur mesure l'activité neuronale à partir d'électrodes placées à la surface du cerveau d'Oskam. L'activité cérébrale associée au contrôle des jambes, décodée par un modèle d'apprentissage automatique formé pour la reconnaître, est ensuite utilisée pour contrôler un ensemble séparé d'électrodes implantées dans la colonne vertébrale d'Oskam. Ce stimulateur de la colonne vertébrale active des groupes de neurones entraînant des mouvements de marche naturalistes. En d'autres termes, le BSI comble le fossé de communication dans le système nerveux d'Oskam qui a résulté de sa blessure, lui redonnant sa capacité à marcher. Avec le nouveau système, il peut désormais marcher plus de 200 mètres en une journée et peut rester debout pendant 3 minutes sans utiliser de déambulateur pour se soutenir.

L'équipe de l'EPFL a implanté des dispositifs au-dessus de la région du cerveau responsable du contrôle des mouvements des jambes, qui décodent les signaux électriques générés par le cerveau lorsque le patient pense à marcher.EPFL

Oskam a participé aux recherches précédentes de ce même groupe développant la technologie de stimulation vertébrale utilisée dans le BSI actuel. Les appareils précédents étaient capables de recréer des mouvements de marche naturalistes dans les jambes d'Oskam, coordonnant la contraction des nombreux groupes musculaires de ses hanches, cuisses, mollets et pieds. Alors que ce mouvement semblait quelque peu naturel à Oskam, le système de contrôle de l'appareil d'origine ne l'était pas : pour initier des mouvements de pas, le système surveillait les petites contractions qu'Oskam était encore capable de faire autour de sa hanche droite, puis bougeait ses jambes en conséquence.

Jimmy Ravier/EPFL

L'ajout de l'interface cerveau-ordinateur pour compléter le système BSI rend les commandes de marche beaucoup plus intuitives. Lors d'une conférence de presse, Oskam a commenté l'amélioration en déclarant que dans l'ancien système, "la stimulation me contrôlait. Maintenant, je contrôle la stimulation."

Un autre avantage fourni par le BSI est un degré de réparation des tissus endommagés dans la colonne vertébrale d'Oskam. Après avoir appris à utiliser le système de stimulation pendant des semaines et des mois, Oskam et les chercheurs ont découvert qu'il retrouvait la capacité de bouger ses jambes sans l'aide de l'appareil. Ils ont d'abord vu cette récupération alors qu'Oskam a appris à utiliser leur système initial de stimulation de la hanche, mais ont vu une guérison nettement plus importante de la colonne vertébrale avec l'ajout d'un contrôle cérébral.

Cette récupération, selon l'équipe de recherche, est motivée par le fait que l'appareil rétablit le comportement coordonné des neurones qui transmettent et lisent à partir de la section endommagée de la colonne vertébrale. Lorsque les neurones situés de manière proximale s'activent de manière fiable à des moments similaires, nos systèmes nerveux ont tendance à les connecter. Dans le cas d'Oskam, le système BSI a stimulé les neurones de la colonne vertébrale sous la blessure, mais les neurones au-dessus du tissu endommagé continuaient à s'activer car ils sont toujours connectés aux parties de son cerveau qui déclenchent et contrôlent le mouvement des jambes. "Nous ne connaissons pas le mécanisme détaillé, mais l'idée est que la boucle sensorimotrice est fermée", explique Courtine. "Il essaie d'activer une région avec ses voies naturelles qui sont également stimulées en même temps. Cette coopération entre les voies naturelles et numériques est probablement à l'origine de la repousse des projections."