Les systèmes neuroprothétiques, qui stimulent artificiellement la contraction musculaire à l’aide de courant électrique, offrent une lueur d’espoir aux personnes paralysées ou amputées. Malgré des décennies de recherche, ces appareils restent peu utilisés en raison d’une fatigue musculaire rapide et du contrôle limité qu’ils procurent.
Une nouvelle approche pour un meilleur contrôle musculaire
Des chercheurs du MIT ont développé une méthode innovante pour améliorer le contrôle musculaire tout en réduisant la fatigue. Plutôt que d’utiliser l’électricité pour stimuler les muscles, ils ont opté pour la lumière. Une étude réalisée sur des souris a démontré que cette technique optogénétique permet un contrôle musculaire plus précis et une réduction significative de la fatigue.
“ Il s’avère qu’en utilisant la lumière, via l’optogénétique, nous pouvons contrôler les muscles de manière plus naturelle. En termes d’application clinique, ce type d’interface pourrait avoir une utilité très large. déclare Hugh Herr, professeur de sciences des médias et des arts, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT et membre associé du McGovern Institute for Brain Research au MIT.
Le principe de l’optogénétique
L’optogénétique s’appuie sur le génie génétique pour exprimer des protéines sensibles à la lumière, permettant ainsi aux chercheurs de contrôler l’activité de ces cellules en les exposant à la lumière. Bien que cette approche ne soit pas encore réalisable chez l’homme, Hugh Herr, Guillermo Herrera-Arcos, étudiant diplômé du MIT, et leurs collègues du K. Lisa Yang Center for Bionics travaillent actuellement sur les moyens de délivrer ces protéines de manière sûre et efficace dans les tissus humains.
Herr est l’auteur principal de l’étude, publiée aujourd’hui dans Science Robotics. Herrera-Arcos est l’auteur principal.
Contrôle optogénétique
Depuis des décennies, les chercheurs explorent l’utilisation de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) pour contrôler les muscles du corps. Cette méthode implique l’implantation d’électrodes qui stimulent les fibres nerveuses, provoquant la contraction d’un muscle. Cependant, cette stimulation a tendance à activer l’ensemble du muscle en même temps, ce qui n’est pas la manière naturelle dont le corps humain contrôle la contraction musculaire.
“ Les humains possèdent une fidélité de contrôle incroyable, obtenue par le recrutement musculaire naturel, où de petites unités motrices, puis des unités de taille moyenne, puis de grandes unités motrices sont recrutées, dans cet ordre, à mesure que la force du signal augmente. », explique Hugh Herr. ” Avec FES, lorsque vous stimulez artificiellement le muscle avec de l’électricité, les plus grosses unités sont recrutées en premier. Ainsi, à mesure que vous augmentez le signal, vous n’obtenez aucune force au début, puis tout à coup, vous obtenez trop de force.. »
Cette grande force rend non seulement plus difficile le contrôle précis du muscle, mais elle épuise également le muscle rapidement, en cinq à dix minutes.
Resistance à la fatigue
En utilisant les données de ces expériences, les chercheurs ont créé un modèle mathématique de contrôle musculaire optogénétique. Ce modèle relie la quantité de lumière entrant dans le système à la force générée par le muscle.
Ce modèle mathématique a permis aux chercheurs de concevoir un contrôleur en boucle fermée. Dans ce type de système, le contrôleur délivre un signal de stimulation, et après la contraction du muscle, un capteur détecte la force exercée par le muscle. Ces informations sont renvoyées au contrôleur, qui calcule si et dans quelle mesure la stimulation lumineuse doit être ajustée pour obtenir la force souhaitée.
En utilisant ce type de contrôle, les chercheurs ont découvert que les muscles pouvaient être stimulés pendant plus d’une heure avant de se fatiguer, tandis que les muscles se fatiguaient après seulement 15 minutes de stimulation FES.
Défis et perspectives
L’un des obstacles que les chercheurs s’efforcent de surmonter est de savoir comment introduire en toute sécurité les protéines sensibles à la lumière dans les tissus humains. Il y a quelques années, le laboratoire de Hugh Herr a rapporté que chez le rat, ces protéines peuvent déclencher une réponse immunitaire qui inactive les protéines et peut également conduire à une atrophie musculaire et à la mort cellulaire.
“ L’un des objectifs clés du K. Lisa Yang Center for Bionics est de résoudre ce problème. », a indiqué Hugh Herr. “ Un effort sur plusieurs fronts est en cours pour concevoir de nouvelles protéines sensibles à la lumière et des stratégies pour les délivrer, sans déclencher de réponse immunitaire.. »
Pour atteindre les patients humains, le laboratoire de Herr travaille également sur de nouveaux capteurs pouvant être utilisés pour mesurer la force et la longueur musculaires, ainsi que sur de nouvelles méthodes d’implantation de la Source lumineuse. Si ces efforts aboutissent, les chercheurs espèrent que leur stratégie pourra bénéficier aux personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral, une amputation d’un membre, une lésion de la moelle épinière, ainsi qu’à d’autres dont la capacité de contrôle des membres est altérée.
“ Cela pourrait conduire à une stratégie révolutionnaire et mini-invasive en matière de soins cliniques pour les personnes souffrant de maladies des membres. », conclut Hugh Herr.
Légende de l’illustration : Des chercheurs du MIT ont développé un moyen d’aider les personnes amputées ou paralysées à reprendre le contrôle de leurs membres. Au lieu d’utiliser l’électricité pour stimuler les muscles, ils ont utilisé la lumière. Ici, Guillermo Herrera-Arcos observe la lumière émanant d’un neurostimulateur optique. Crédit : Steph Stevens
Article : « La neuromodulation optogénétique en boucle fermée permet un contrôle musculaire haute fidélité résistant à la fatigue » – DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adi8995
