Des chercheurs développent un modèle 3D pour mieux traiter les troubles neurologiques

Un modèle 3D développé par des neuroscientifiques de l'Université de Virginie occidentale montre comment les stimulateurs implantables, du type utilisé pour traiter la douleur chronique, peuvent cibler les neurones qui contrôlent des muscles spécifiques pour assurer la rééducation des personnes souffrant de troubles neurologiques tels qu'un accident vasculaire cérébral ou une lésion de la moelle épinière.

L'étude, y compris le modèle, a été publiée Biologie des communications.

Le dispositif, implanté sur ou à proximité de la moelle épinière, fonctionne en délivrant un signal électrique via un fil fin. Pour traiter la paralysie, la stimulation cible des parties spécifiques de la moelle épinière pour aider à restaurer la fonction musculaire et le mouvement. Cependant, l’efficacité du dispositif a été limitée en raison d’une compréhension insuffisante de l’emplacement des motoneurones qui se connectent à des muscles spécifiques dans la moelle épinière.

“Si nous voulons vraiment maximiser l'utilité de ces implants, nous voulons pouvoir sélectionner des motoneurones spécifiques qui activeraient des muscles spécifiques et assisteraient le mouvement de la bonne manière et au bon moment”, a déclaré Valeriya Gritsenko, professeur agrégé à l'École de médecine WVU, les départements de performance humaine – physiothérapie, neurosciences et le Rockefeller Neuroscience Institute. “Les scientifiques veulent utiliser un modèle pour déterminer où implanter ce système.”

Gritsenko envisage de diriger une équipe chargée de construire des modèles plus sophistiqués du système neuromusculaire.

Grâce à d’autres études et tests, les chercheurs espèrent mieux comprendre dans quelle mesure ces appareils peuvent améliorer la fonction musculaire.

Pour mener l’étude, les chercheurs ont d’abord créé un modèle 3D de l’emplacement des motoneurones dans la moelle épinière du macaque – un singe de l’Ancien Monde – et l’ont comparé aux connaissances actuelles sur la moelle épinière humaine. Ils ont également créé des modèles 3D de l’anatomie musculo-squelettique du macaque et du membre supérieur droit de l’homme et les ont comparés.

“Nous avons examiné les différences et les changements dans la longueur des muscles dans différentes postures, à la fois chez le modèle humain et chez le singe”, a déclaré Rachel Taitano, doctorante en médecine et neurosciences à Fairfax, en Virginie, et auteur principal de l'étude. “Le modèle musculo-squelettique du singe montre que la biomécanique est similaire à celle des humains, même si les espèces présentent des différences dans les muscles qu'elles utilisent, les muscles dont elles disposent, ainsi que des orientations et fonctionnalités différentes.”

L'étude montre une correspondance étroite dans la distribution, ou la profondeur, des pools de motoneurones le long de la moelle épinière chez les macaques et les humains. Ces résultats permettront aux scientifiques de gagner en précision dans la délivrance des traitements.

“Certains pools de motoneurones sont plus profonds à l'intérieur de la moelle épinière et d'autres sont plus proches de la surface”, a expliqué Gritsenko. “Ce modèle nous permet d'examiner en profondeur l'endroit où ces pools de motoneurones pourraient être les plus proches de la surface. C'est là que vous voudriez stimuler pour potentiellement activer ces muscles.”

Gritsenko, qui a servi comme chercheur principal, a expliqué que « connaître l'organisation vertébrale des pools de motoneurones – des groupes de cellules qui se connectent à un seul muscle – peut révéler quelque chose de fascinant. Notre système musculo-squelettique complexe a évolué au fil du temps pour permettre une large gamme de mouvements. que nous voyons chez tous les primates, y compris nous, les humains. L'équipe a découvert que nos moelles épinières ont des « cartes » intégrées qui reflètent cette fonction complexe. Cette « carte » aide à simplifier le contrôle de notre corps complexe par la moelle épinière. avoir un pilote automatique directement à l'intérieur de la colonne vertébrale.

Un autre collègue du projet, Sergiy Yakovenko, professeur agrégé à l'École de médecine de la WVU, départements de performance humaine – physiologie de l'exercice, neurosciences et RNI, a mené des études similaires sur l'anatomie de la moelle épinière chez les animaux quadrupèdes. Les nouvelles découvertes montrent à quel point l’anatomie de la moelle épinière est conservée chez tous les animaux et à quel point elle reflète les actions des muscles.

Les résultats d’une étude scientifique appliquée qui peuvent être utilisés au profit des patients en milieu clinique sont ce qui, selon Taitano, l’a attirée vers le projet.

“Je pense que nous pouvons obtenir beaucoup d'informations grâce à des études non invasives”, a déclaré Taitano, titulaire d'un diplôme de premier cycle en génie biomédical. “Maintenant que nous pouvons appliquer ces résultats à l'échelle millimétrique et nanométrique, nous pouvons fabriquer des dispositifs pour appliquer ce que nous voyons dans un modèle comme celui-ci.”

Une fois le projet terminé, Taitano passe à la partie médecine de son programme cet été.

“Les antécédents de Rachel ont joué un rôle déterminant dans le succès de l'étude”, a déclaré Gritsenko. “J'aimerais vraiment voir davantage de ce type de collaboration interdisciplinaire avec des étudiants diplômés travaillant sur des projets avec des collègues des départements de médecine et d'ingénierie.”

Gritsenko a déclaré que des scientifiques de deux autres universités ont exprimé leur intérêt pour l'utilisation du modèle pour explorer la manière dont la technologie de stimulation peut être améliorée. Elle prévoit également de collaborer avec un chercheur sur les primates d'une autre université pour valider les résultats de l'étude sur des modèles animaux.

“Nous voulons faire un test de stimulation musculaire basé sur les prédictions du modèle et voir si nous obtenons les résultats escomptés”, a-t-elle déclaré. “Nous pouvons essayer cela d'abord avec des singes et ensuite, si cela fonctionne, nous pouvons l'essayer avec des humains pour vérifier davantage qu'il s'agit d'un bon modèle pour guider ces interventions chirurgicales.”