Résumé Une lésion de la moelle épinière perturbe la communication entre le cerveau et la région de la moelle épinière qui produit la marche, conduisant à la paralysie. Ici, nous avons restauré cette communication grâce à un pont numérique entre le cerveau et la moelle épinière qui a permis à une personne atteinte de tétraplégie chronique de se tenir debout et de marcher naturellement dans un environnement communautaire. Cette interface cerveau-colonne vertébrale (BSI) se compose de systèmes de stimulation et d’enregistrement entièrement implantés qui établissent un lien direct entre les signaux corticaux et la modulation analogique de la stimulation électrique péridurale dirigée vers les régions de la moelle épinière impliquées dans la production de la moelle épinière. Mars. Une interface cerveau-colonne vertébrale (BSI) hautement fiable se calibre en quelques minutes seulement. Cette fiabilité est restée stable pendant un an , même lors d’une utilisation indépendante à la maison. Le participant rapporte que l’interface cerveau-colonne vertébrale (BSI) lui permet un contrôle naturel des mouvements de ses jambes pour se tenir debout, marcher, monter des escaliers et même traverser un terrain complexe. De plus, la neurorééducation soutenue par BSI a amélioré la récupération neurologique. Le participant a retrouvé la capacité de marcher avec des béquilles au sol même lorsque le BSI était éteint. Ce pont numérique établit un cadre pour restaurer le contrôle naturel du mouvement après une paralysie. |
Le traitement
Pour marcher, le cerveau envoie des commandes exécutives aux neurones situés dans la moelle épinière lombo-sacrée. Bien que la plupart des lésions de la moelle épinière n’endommagent pas directement ces neurones, la perturbation des voies descendantes perturbe les commandes cérébrales nécessaires à ces neurones pour produire la marche. La conséquence est une paralysie permanente .
Nous avons précédemment démontré que la stimulation électrique péridurale dirigée vers les zones d’entrée individuelles de la racine dorsale de la moelle épinière lombo-sacrée permet de moduler des groupes moteurs spécifiques des jambes. À son tour, le recrutement de ces zones d’entrée de la racine dorsale avec des séquences spatio-temporelles préprogrammées reproduit l’activation physiologique des groupes moteurs des jambes sous-jacents à la position debout et à la marche. Ces séquences de stimulation ont rétabli la position debout et la marche de base chez les personnes paralysées suite à une lésion de la moelle épinière. Cependant, cette récupération nécessitait des capteurs de mouvement portables pour détecter les intentions motrices à partir de mouvements résiduels ou des stratégies compensatoires pour lancer des séquences de stimulation préprogrammées. Par conséquent, le contrôle de la marche n’était pas perçu comme complètement naturel . De plus, les participants ont montré une capacité limitée à adapter les mouvements des jambes aux changements de terrain et aux exigences volontaires.
Nous suggérons ici qu’un pont numérique entre le cerveau et la moelle épinière permettrait un contrôle volontaire du timing et de l’amplitude de l’activité musculaire, rétablissant ainsi un contrôle plus naturel et adaptatif de la position debout et de la marche chez les personnes. avec paralysie due à une lésion de la moelle épinière.
Pont numérique du cerveau à la moelle épinière
Pour établir ce pont numérique, nous avons intégré deux systèmes entièrement implantés qui permettent l’enregistrement de l’activité corticale et la stimulation de la moelle épinière lombo-sacrée sans fil et en temps réel (Fig. 1a).
Fig. 1 : Conception, technologie et mise en œuvre du BSI. a , Deux implants corticaux composés de 64 électrodes sont placés par voie épidurale sur le cortex sensorimoteur pour collecter les signaux ECoG. Une unité de traitement prédit les intentions motrices et traduit ces prédictions en modulation de programmes de stimulation électrique péridurale dirigés vers les zones d’entrée de la racine dorsale de la moelle épinière lombo-sacrée. Les stimuli sont délivrés à l’aide d’un générateur d’impulsions implantable connecté à un câble à palette à 16 électrodes. b , Images informant la planification préopératoire des emplacements des implants corticaux et la confirmation postopératoire. L, à gauche ; R, c’est exact. c , Modèle informatique personnalisé prédisant le placement optimal du fil de palette pour cibler les zones d’entrée de la racine dorsale associées aux muscles des membres inférieurs et confirmation postopératoire.
Cette chaîne intégrée de matériel et de logiciels a établi un pont numérique sans fil entre le cerveau et la moelle épinière : une interface cerveau-colonne vertébrale (BSI) qui convertit l’activité corticale en modulation analogique des programmes de stimulation électrique péridurale pour régler l’activation des muscles des membres inférieurs. et ainsi retrouver la position debout et la marche après une paralysie due à une lésion de la moelle épinière.
Discussion
Nous avons conçu un pont numérique sans fil entre le cerveau et la moelle épinière qui rétablissait le contrôle naturel des mouvements des membres inférieurs pour se tenir debout et marcher sur un terrain complexe après une paralysie due à une lésion de la moelle épinière. De plus, la neuroréadaptation a entraîné des améliorations neurologiques qui ont persisté même lorsque le pont a été éteint.
La validation de ce pont numérique a été limitée à un seul individu présentant des lésions médullaires graves mais partielles et il n’est donc pas clair si l’ interface cerveau-colonne vertébrale (BSI) sera applicable à d’autres localisations et gravités de blessures. Cependant, plusieurs observations suggèrent que cette approche sera applicable à une large population de personnes paralysées. Premièrement, les principes physiologiques qui sous-tendent la stimulation électrique péridurale ciblée de la moelle épinière ont désormais été validés chez neuf personnes sur neuf traitées avec des lésions incomplètes et complètes. Deuxièmement, nous avons développé des procédures permettant un calibrage simple, rapide et stable du lien entre l’activité corticale et les programmes de stimulation, permettant au participant d’utiliser le BSI à domicile sans supervision. Troisièmement, une robustesse et une stabilité comparables de ce cadre de décodage cérébral informatique et technologique ont maintenant été observées chez deux personnes supplémentaires atteintes de tétraplégie. Bien que l’expérience antérieure du participant en matière de stimulation ait accéléré la mise en place du BSI, nous ne prévoyons pas d’obstacles majeurs à la mise en œuvre d’un BSI chez de nouveaux individus. En effet, nous avons pu mettre en place des programmes de stimulation permettant de restaurer la marche en une journée chez trois participants atteints de paralysie sensorimotrice complète.
Le concept de pont numérique entre le cerveau et la moelle épinière annonce une nouvelle ère dans le traitement des déficits moteurs dus à des troubles neurologiques.
