Les neuroprothèses

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introduction

Les neuroprothèses sont des dispositifs électroniques qui interagissent avec le système nerveux qui sont utilisées, dans la majorité des cas, à des fins médicales afin d’améliorer ou de restaurer des fonctions motrices ou sensorielles.

En juillet 2019, la première application clinique d’une interface cerveau-machine a été faite au centre de recherche Clinatec situé à Grenoble. Un patient tétraplégie a en effet eu la possibilité de se mouvoir grâce à l’association d’un exosquelette avec une neuroprothèse.

Fonctionnement du couplage neuroprothèse-exosquelette (issue du podcaste Tech Café de Guillaume Vendé)

Par la suite, nous allons découvrir les types de neuroprothèses.

Dans un premier temps, nous essayerons de comprendre le fonctionnement de ces dispositifs.

Et enfin, nous verrons des cas concrets d’utilisation de neuroprothèses.

JEULAND Marine L2 SV

NeuroGazette

"Les neuroprothèses : une interface cerveau-machine pour améliorer la qualité de vie"

Année universitaire 2023-2024

Le fonctionnement des neuroprothèses

Le plus souvent, les capteurs sont des électrodes, que l’on va placer au contact de la peau (capteurs non invasifs) ou à l’intérieur de la boîte crânienne (capteurs dits invasifs), qui quantifient les impulsions électriques qui sont générées par les neurones après une stimulation. Les actionneurs vont différer selon le type de fonction que l’on veut restaurer ou amplifier.

Avant de commencer, il faut noter que chaque neuroprothèse a un mode de fonctionnement spécifique. Néanmoins elles ont un principe commun, qui est la détection et le traitement de l’activité neuronale puis l’émission d’une réponse qui sera ajustée si elle est existante ou générer s’il n’y en avait pas. Ces dispositifs sont composés de 3 éléments : des capteurs qui vont permettre la détection des signaux neuronaux, ces signaux seront envoyés à des algorithmes qui vont s’occuper de les traiter et enfin des actionneurs qui vont produire la réponse.

Schéma explicatif du fonctionnement d'une neuroprothèse

Les neuroprothèses cognitives

Les neuroprothèses sensorielles

Les neuroprothèses motrices

Les neuroprothèses cognitives ont pour but d’améliorer ou de restaurer les fonctions cognitives comme la mémoire, l’attention ou la prise de décision qui ont été altérées par le vieillissement ou une maladie ou encore une blessure

Les neuroprothèses motrices peuvent être utilisées chez des patients atteints de déficiences motrices dues à la perte d’un membre, à une lésion de la moelle épinière ou à un accident vasculaire cérébral dans le but de leur permettre de recouvrer certaines capacités telles que la manipulation d’objets par exemple.

Les neuroprothèses sensorielles sont utilisées dans l’objectif d’améliorer ou remplacer une fonction sensorielle comme le toucher, l’ouïe ou encore la vision.

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Conclusion

En définitif, les neuroprothèses sont des dispositifs électroniques qui permettent de produire des signaux de commande à partir de signaux centraux (intention, imagination,…) grâce à trois composants : des capteurs couplés à une interface informatique et à un actionneur. Il existe une multitude de neuroprothèses différentes que l’on rangent en trois classes, les neuroprothèses motrices utilisées pour contrer des déficiences motrices, les neuroprothèses sensorielles pour améliorer la vue ou l’ouïe notamment et enfin les neuroprothèses cognitives pour contrecarrer des pertes cognitives comme la mémoire ou l’attention. Finalement, l’histoire de ces dispositifs a commencé il y a une soixantaine d’année avec la naissance de l’implant cochléaire, qui est à ce jour le dispositif le plus implanté. De nos jours, des neuroprothèses ont été conçues pour appréhender les symptômes de la maladie de Parkinson. Ces dispositifs, malgré leur importance dans l’amélioration du mode de vie des personnes en situation de handicap, se confrontent à quelques limites dans leur utilisation. On peut notamment noter une autonomie souvent insuffisante ou une maniabilité faible, les neuroprothèses ne sont pas accessibles à tous et pour cause leur prix assez élevé. Cependant, le progrès technique se mêle aux recherches pour changer tout cela.

Sources

Webographie

Images

Le 6 novembre 2023, des chercheurs franco-suisses reportés dans une revue scientifique qu'ils avaient conçu une neuroprothèse capable de comble certains déficits dus à la maladie de Parkinson. Celle-ci a notamment permis à un patient de remarcher de manière fluide et sans crainte de tomber grâce à la stimulation électrique de la moelle épinière de manière ciblée (zone responsable de l'activation des muscles lors de la marche).

Les neuroprothèses motrices invasives demandent une intervention chirurgicale pour l'implantation des électrodes. Celles-ci peuvent être implantées dans le cerveau ou la moelle épinière ou encore dans les nerfs périphériques. Dans certains cas, elles vont être reliées à un système extérieur (membre prothétique, exosquelette…) ou elles vont fonctionner seules, dans ce cas là les électrodes vont être des stimulateurs afin de restaurer la fonction motrice.

Les invasives

A l’inverse, les neuroprothèses motrices non invasives ne demandent pas d’intervention chirurgicales. En effet, les électrodes sont généralement placées au contact de la peau puisque ces dispositifs reposent sur la captation des signaux électriques du système nerveux par le biais de technique permettant de mesurer l’activité cérébrale motrice. Ces signaux seront traduits par un logiciel et envoyés à un autre dispositif externe. On peut les utiliser pour stimuler des muscles affaiblis mais également dans le cadre d’une rééducation ou pour contrôler des membres artificiels.

Les non invasives

Neuroprothèse motrice invasive (issue de Ethics, Health and Death 2.0)

En 1957, Charles Eyriès eu l'idée de stimuler électriquement les fibres nerveuses acoustiques d'un patient atteint de paralysie faciale et surdité. A l'aide d'André Djourno, qui a créé un implant avec deux bobines dont une était reliée à une électrode placée contre le nerf acoustique, il obtient des résultats assez satisfaisants. Le dispositif tombera en panne peu de temps après et pour cause l'étanchéité de l'implant. D'autres chercheurs se pencheront sur le sujet après cette découverte.

Le coup d'envoi fictif du match d'ouverture de la coupe du monde de football 2014 au Brésil a été donné par un patient paraplégique équipé d'un exosquelette. Le patient s'est entraîné sur un simulateur virtuel avant de pouvoir taper dans un ballon. L'exosquelette est couplé à un casque à électrodes qui permet de capter les ondes cérébrales qui seront transmises à un ordinateur.

• Bougrain L., Le Golvan B. (2016) Les neuroprothèses. ScienceDirect, volume 81, issue 2 : 353-364.
• Ducreuzet E. (2013) Destinationsanté, Implant cochléaire : une histoire… française ? [https://destinationsante.com/implant-cochleaire-une-histoire-francaise.html] Consulté le 17/11/2023.
• Contributeurs de Wikipédia. Cochlear implant. [https://en.wikipedia.org/wiki/Cochlear_implant] Consulté le 17/11/2023
• Contributeurs de Wikipédia. Neuroprosthetics. [https://en.wikipedia.org/wiki/Neuroprosthetics] Consulté le 17/11/2023
• Contributeurs de Wikipédia. Retinal implant. [https://en.wikipedia.org/wiki/Retinal_implant] Consulté le 30/11/2023
• Contributeurs de Wikipédia. Argus retinal prosthesis. [https://en.wikipedia.org/wiki/Argus_retinal_prosthesis] Consulté le 03/12/2023
• Gaubert C. (2022) Sciences et Avenir, Une neuroprothèse qui restaure (en partie) la mémoire en mimant l’activité cérébrale. [https://www.sciencesetavenir.fr/sante/cerveau-et-psy/une-neuroprothese-qui-restaure-en-partie-la-memoire-en-mimant-l-activite-cerebrale_167423] Consulté le 30/11/2023
• Assoun S. (2014) Sciences et Avenir, BRESIL. Mondial 2014 : le coup d’envoi donné par un exosquelette. [https://www.sciencesetavenir.fr/sante/coupe-du-monde-2014-le-coup-d-envoi-sera-donne-par-un-paraplegique_19124] Consulté le 03/12/2023
• France Info (2023) ENTRETIEN, Un malade de Parkinson remarche grâce à une neuroprothèse : un technique disponible pour tous « d’ici cinq ans », espèrent ses concepteurs. [https://www.francetvinfo.fr/sante/entretien-un-malade-de-parkinson-remarche-grace-a-une-neuroprothese-une-technique-disponible-pour-tous-d-ici-cinq-ans-esperent-ses-concepteurs_6169176.html] Consulté le 01/12/2023
• Fondation Recherche Médicale (2018) Des neuroprothèses pour restaurer la mobilité. [https://www.frm.org/nos-publications/innovation-et-sante/des-neuroprotheses-pour-restaurer-la-mobilite] Consulté le 16/11/2023
• Fondation Recherche Médicale (2020) Une rétine artificielle haute résolution. [https://www.frm.org/nos-publications/actualites/retine-artificielle] Consulté le 30/11/2023
• Bême D. (2019) Doctissimo, Implant cochléaire : définition, avantages, inconvénients, prix. [https://www.doctissimo.fr/html/sante/audition/articles/11215-iimplant-cochleaire.htm] Consulté le 16/11/2023
• Université Grenoble Alpes (2019) Une neuroprothèse inédite permet à un patient tétraplégique équipé d’un exosquelette de se mouvoir. [https://www.univ-grenoble-alpes.fr/actualites/a-la-une/actualites-recherche/une-neuroprothese-inedite-permet-a-un-patient-tetraplegique-equipe-d-un-exosquelette-de-se-mouvoir-575627.kjsp] Consulté le 09/09/2023.
• Santors Les neuroprothèses : comment ça marche ? [https://santors.fr/les-soins/les-neuroprotheses-comment-ca-marche] Consulté le 20/10/2023.

Ce dispositif vise à reproduire les impulsions électriques produites par l’hippocampe lors de l’encodage d’un nouveau souvenir à l’aide d’une électrode implantée dans l’encéphale. On peut également retrouver des prothèses qui cible l’amélioration de la concentration et de l’attention, notamment chez les personnes ayant un trouble du déficit de l’attention avec hyperactivité. Ou encore des prothèses conçues dans l’objectif de favoriser la récupération cognitive après une lésion cérébrale.

Les prothèses de mémoire

Ils sont composés d’une partie externe à l’oreille ainsi que d’une partie interne, la partie externe comprend un microphone, un processeur et un transmetteur, la partie interne est elle composée d’un récepteur et un stimulateur ainsi que d’électrodes. Maintenant, comment ça fonctionne ? Le microphone enregistre les sons présents dans l’environnement et les envoie au processeur qui va se charger de les convertir en signaux électriques. Ces signaux sont acheminés jusqu’au transmetteur et seront transformés en ondes électromagnétiques et reçues par le récepteur. A sont tour, il va convertir ces ondes en impulsions électriques qui seront envoyées jusqu’aux électrodes via une fibre. Les impulsions viennent stimuler le nerf auditif qui va acheminer les signaux électriques jusqu’aux centres auditifs du cerveau qui pourra les interpréter comme des sons.

Les implants cochléaires

On distingue les implants épirétiniens (situés à la surface de la rétine) des implants subrétiniens (placés sous la rétine). Si on prend en exemple l’implant rétinien Prima, c’est un implant que l’on vient placer sous la rétine composé de plusieurs centaines de photodiodes qui viennent prendre la fonction des photorécepteurs. Ces photodiodes sont sensibles à la lumière et transforment les signaux lumineux en signaux électriques pour ensuite les envoyés aux cellules rétiniennes. Etant sensibles à la lumière infrarouge, ces éléments sont associées à une caméra implantée dans une paire de lunettes qui permet la transformation de la lumière visible en lumière infrarouge qui est envoyée sur l’implant.

Les implants rétiniens

Schéma d'un implant cochléaire (tiré de la page Wikipédia)

Schéma d'un implant rétinien (par Lawrence Livermore National Laboratory

• Couverture : Macrovector, Freepik ["https://fr.freepik.com/vecteurs-libre/modele-bionique- moderne_3799667.htm#query=neuroprosthesis&position=18&from_view=search&track=ais&uuid=30a53994-c98f-4d11-87a3-1efd8974bdce"]
• Introduction: Guillaume Vendé, Tech Café [https://i1.wp.com/techcafe.fr/wp-content/uploads/sites/4/2019/11/pasted-image-0-4-1.png?fit=1024%2C786&ssl=1]

• Deuxième partie :
• Illustrations décoratives :

images 1 et 2 : Macrovector, Freepik ["https://fr.freepik.com/vecteurs-libre/ensemble-icones-concept-protheses-bioniques-exosquelette_15642674.htm#query=neuroprosthesis&position=1&from_view=search&track=ais&uuid=30a53994-c98f-4d11-87a3-1efd8974bdce"] image 3 : Storyset, Freepik ["https://fr.freepik.com/vecteurs-libre/modele-bionique-moderne_3799667.htm#query=neuroprosthesis&position=18&from_view=search&track=ais&uuid=30a53994-c98f-4d11-87a3-1efd8974bdce"]

• Illustrations explicatives :

image 1 : Ethics, Health and Death 2.0, Genomic Entertainment [https://3.bp.blogspot.com/-xbi2qSfGFWM/Uc6eH6X00aI/AAAAAAAAOAA/gjlVubD1d7I/s1600/fig2.jpg] image 2 : Wikipédia, [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/Cochlear_implant.jpg] image 3 : Lawrence Livermore National Laboratory, [https://www.llnl.gov/news/retinal-implant-seen-2010-tech-breakthrough]

Argus II est une rétine artificielle conçue par Second Sight Medical Products, une société américaine. Il est composé d'une caméra placée dans une monture de lunettes dont les signaux sont envoyés à un processeur (sans fils), ce dernier est relié à l'implant par des câbles, implant qui est implanté sur la surface de la rétine. Cet implant est la deuxième version, la première étant l'Argus I testé cliniquement depuis 2002. Argus II a été testé une première fois en 2006, il en suit l'approbation pour la commercialisation en Europe en 2011 et en 2013 l'approbation pour les Etats-Unis.