Une prothèse entraînée par le système nerveux aide les personnes amputées à marcher naturellement

Les prothèses de pointe peuvent aider les personnes amputées à marcher naturellement, mais elles ne permettent pas à l’utilisateur de contrôler entièrement le membre grâce à des neurones. Elles reposent plutôt sur des capteurs et des contrôleurs robotisés qui déplacent le membre à l’aide d’algorithmes de marche prédéfinis.

En utilisant un nouveau type d’intervention chirurgicale et une interface neuroprothétique, les chercheurs du MIT, en collaboration avec des collègues du Brigham and Women’s Hospital, ont montré qu’une démarche de marche naturelle est réalisable à l’aide d’une jambe prothétique entièrement entraînée par le système nerveux du corps. La procédure d’amputation chirurgicale reconnecte les muscles du membre résiduel, ce qui permet aux patients de recevoir une rétroaction « proprioceptive » sur la position de leur membre prothétique dans l’espace.

Dans une étude portant sur sept patients ayant subi cette opération, l’équipe du MIT a découvert qu’ils étaient capables de marcher plus vite, d’éviter les obstacles et de monter les escaliers beaucoup plus naturellement que les personnes ayant subi une amputation traditionnelle.

“Il s’agit de la première étude prothétique de l’histoire qui montre une prothèse de jambe sous pleine modulation neuronale, où une démarche biomimétique émerge. Personne n’a été capable de montrer ce niveau de contrôle cérébral qui produit une démarche naturelle, où le système nerveux humain contrôle le mouvement, pas un algorithme de contrôle robotique », déclare Hugh Herr, professeur d’arts et de sciences médiatiques, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT, membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT et du auteur principal de la nouvelle étude.

Les patients ont également ressenti moins de douleur et moins d’atrophie musculaire après cette chirurgie, connue sous le nom d’interface myoneurale agoniste-antagoniste (IAM). Jusqu’à présent, environ 60 patients dans le monde ont bénéficié de ce type de chirurgie, qui peut également être pratiquée pour les personnes amputées du bras.

Hyungeun Song, postdoctorant au Media Lab du MIT, est l’auteur principal de l’article, qui paraît dans Médecine naturelle.

Rétroaction sensorielle

La plupart des mouvements des membres sont contrôlés par des paires de muscles qui se contractent et s’étirent à tour de rôle. Lors d’une amputation classique sous le genou, les interactions de ces paires de muscles sont perturbées. Il est alors très difficile pour le système nerveux de détecter la position d’un muscle et la vitesse à laquelle il se contracte, informations sensorielles essentielles pour que le cerveau décide comment bouger le membre.

Les personnes ayant subi ce type d’amputation peuvent avoir du mal à contrôler leur prothèse, car elles ne peuvent pas détecter avec précision où se trouve le membre dans l’espace. Au lieu de cela, elles s’appuient sur des contrôleurs robotisés intégrés à la prothèse. Ces membres comprennent également des capteurs capables de détecter et de s’adapter aux pentes et aux obstacles.

Pour aider les patients à retrouver une démarche naturelle sous contrôle total du système nerveux, Herr et ses collègues ont commencé à développer il y a plusieurs années la chirurgie AMI. Au lieu de rompre les interactions naturelles entre les muscles agonistes et antagonistes, ils relient les deux extrémités des muscles de manière à ce qu’ils continuent à communiquer de manière dynamique entre eux au sein du membre résiduel. Cette chirurgie peut être réalisée lors d’une amputation primaire, ou les muscles peuvent être reconnectés après l’amputation initiale dans le cadre d’une procédure de révision.

“Avec la procédure d’amputation AMI, dans la plus grande mesure possible, nous essayons de connecter les agonistes natifs aux antagonistes natifs de manière physiologique afin qu’après l’amputation, une personne puisse bouger tout son membre fantôme avec des niveaux physiologiques de proprioception et d’amplitude de mouvement.” dit Herr.

Dans une étude de 2021, le laboratoire de Herr a découvert que les patients ayant subi cette intervention étaient capables de contrôler plus précisément les muscles de leur membre amputé et que ces muscles produisaient des signaux électriques similaires à ceux de leur membre intact.

Après ces résultats encourageants, les chercheurs ont entrepris d’explorer si ces signaux électriques pouvaient générer des commandes pour un membre prothétique et en même temps donner à l’utilisateur un retour d’information sur la position du membre dans l’espace. La personne portant le membre prothétique pourrait alors utiliser ce retour proprioceptif pour ajuster volontairement sa démarche selon ses besoins.

Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a découvert que ce retour sensoriel se traduisait effectivement par une capacité fluide et presque naturelle à marcher et à surmonter les obstacles.

« Grâce à l’interface neuroprothétique AMI, nous avons pu renforcer cette signalisation neuronale, en la préservant autant que possible. Cela a permis de restaurer la capacité neuronale d’une personne à contrôler en continu et directement toute la démarche, à différentes vitesses de marche, dans des escaliers, sur des pentes, et même en franchissant des obstacles », explique Song.

Une démarche naturelle

Pour cette étude, les chercheurs ont comparé sept personnes ayant subi une intervention chirurgicale pour un AMI avec sept personnes ayant subi une amputation traditionnelle sous le genou.

Tous les sujets ont utilisé le même type de membre bionique : une prothèse avec une cheville motorisée ainsi que des électrodes capables de détecter les signaux d’électromyographie (EMG) provenant du tibial antérieur aux muscles gastrocnémiens. Ces signaux sont transmis à un contrôleur robotique qui aide la prothèse à calculer l’ampleur de la flexion de la cheville, le couple à appliquer ou la puissance à fournir.

Les chercheurs ont testé les sujets dans plusieurs situations différentes : marcher sur un terrain plat sur un sentier de 10 mètres, monter une pente, descendre une rampe, monter et descendre des escaliers et marcher sur une surface plane tout en évitant les obstacles.

Dans toutes ces tâches, les personnes équipées de l’interface neuroprothétique AMI ont pu marcher plus vite – à peu près au même rythme que les personnes non amputées – et contourner les obstacles plus facilement. Elles ont également montré des mouvements plus naturels, comme pointer les orteils de la prothèse vers le haut en montant des escaliers ou en enjambant un obstacle, et elles ont pu mieux coordonner les mouvements de leur membre prothétique et de leur membre intact. Elles ont également pu pousser sur le sol avec la même force qu’une personne non amputée.

« Avec la cohorte AMI, nous avons vu émerger des comportements biomimétiques naturels », explique Herr. « La cohorte qui n’avait pas l’AMI pouvait marcher, mais les mouvements prothétiques n’étaient pas naturels et leurs mouvements étaient généralement plus lents. »

Ces comportements naturels sont apparus même si la quantité de rétroaction sensorielle fournie par l’AMI était inférieure à 20 % de celle qui serait normalement reçue par des personnes non amputées.

“L’une des principales conclusions ici est qu’une légère augmentation du retour neuronal de votre membre amputé peut restaurer une contrôlabilité neuronale bionique significative, à un point où vous permettez aux gens de contrôler directement neuronalement la vitesse de marche, de s’adapter à différents terrains et d’éviter les obstacles. “, dit Song.

« Ce travail représente une nouvelle étape dans notre démarche démontrant ce qui est possible en termes de restauration fonctionnelle chez les patients souffrant de blessures graves aux membres. C’est grâce à des efforts de collaboration comme celui-ci que nous sommes en mesure de réaliser des progrès transformationnels dans les soins aux patients », déclare Matthew. Carty, chirurgien au Brigham and Women’s Hospital et professeur agrégé à la Harvard Medical School, qui est également l’auteur de l’article.

Permettre le contrôle neuronal par la personne utilisant le membre est une étape vers l’objectif du laboratoire de Herr de « reconstruire les corps humains », plutôt que de laisser les gens s’appuyer sur des contrôleurs et des capteurs robotiques de plus en plus sophistiqués – des outils qui sont puissants mais qui ne donnent pas l’impression de faire partie du corps de l’utilisateur.

“Le problème avec cette approche à long terme est que l’utilisateur ne se sentira jamais incarné dans sa prothèse. Il ne considérera jamais la prothèse comme une partie de son corps, une partie de lui-même”, explique Herr. “L’approche que nous adoptons consiste à connecter de manière globale le cerveau humain à l’électromécanique.”

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.