Un Américain retrouve le sens du toucher grâce à un implant cérébral

Le programme expérimental NeuroLife, développé par The Battelle Memorial Institute, un organisme de recherche à but non lucratif de l'Ohio (États-Unis), a réussi à reconnecter la main et le cerveau d'un patient victime d'une section de la moelle épinière après un accident. L'homme a retrouvé une partie de ses capacités motrices et son toucher grâce un implant cérébral de la taille d'un grain de riz.

Atlantico : Comment fonctionne cette "reconnexion" entre le cerveau et un membre du corps ?

André Nieoullon : Le dispositif proposé par NeuroLife s’inscrit dans le cadre d’une problématique de recherche déjà ancienne qui, à partir des années 80, a débuté grâce aux progrès des Neurosciences et des technologies permettant d’enregistrer au long cours des signaux cérébraux chez des sujets vigiles et de les traiter pour en extraire une information explicite en rapport avec les interactions des sujets dans leur environnement. Il s’agit par conséquent de dispositifs que l’on peut décrire comme représentant de véritables « interfaces » entre le cerveau et des ordinateurs, permettant de « décoder » l’information, par exemple liée au déplacement d’un bras dans l’espace, « encodée » dans la décharge de larges populations de neurones dans une région dédiée du cerveau, précisément ce que l’on désigne par « cortex moteur », considérant que c’est au travers de la décharge neuronale de cette région du cortex cérébral que le cerveau va normalement transmettre une commande via la moelle épinière pour permettre la contraction organisée de groupes musculaires qui vont ainsi permettre la réalisation d’un mouvement volontaire ; par exemple et de façon un peu simpliste, la saisie d’un verre pour le porter à la bouche.

L’objectif de ces travaux a ainsi été de tenter de rétablir cette commande cérébrale d’un mouvement volontaire (simple) lorsque celle-ci n’est plus possible à cause d’une destruction en général accidentelle du lien entre le cerveau et les muscles, c’est-à-dire la moelle épinière. Ainsi ont été développées des interfaces de communication entre le cerveau et des systèmes électroniques de plus en plus précises au fur et à mesure que les principes de l’encodage des informations par les décharges neuronales étaient de mieux en mieux compris, schématiquement à partir des années 1980. Et c’est alors que les premières tentatives de « transformer la pensée en action » ont été proposées, notamment aux USA dès 2004 où un patient paraplégique a pu commander « par la pensée » un ordinateur, lui permettant de communiquer avec son entourage ou de commander une prothèse. Le concept « clé » de ces dispositifs est de considérer que lorsqu’un sujet réalise physiquement un mouvement ou qu’il évoque seulement le mouvement par la pensée sans le réaliser, le signal cortical correspondant à ce mouvement réalisé ou imaginé est de même nature. Restait alors à utiliser cette propriété du cerveau pour commander une prothèse motorisée, -ce que l’on nomme exosquelette- à partir des signaux nerveux, ou plus directement encore, injecter un signal directement dans les muscles concernés sous forme de micro-stimulations musculaires non douloureuses générées par l’ordinateur pour déclencher des séquences d’activation musculaires organisées mimant l’activation musculaire naturelle qui correspond au mouvement.

Par conséquent, la « reconnexion » du cerveau avec un membre chez un sujet paraplégique suppose 3 étapes : 1) capter le signal neuronal dans la région dédiée du cortex moteur considérant qu’il s’agit d’une activité complexe de millions de neurones sur une courte période de temps ; 2) « traiter » le signal capté pour en extraire le plus rapidement possible à l’échelle du fonctionnement du cerveau c’est-à-dire quelques centaines de millièmes de seconde, l’information pertinente correspondant à la commande musculaire organisée ; 3) transformer cette information en commande d’une prothèse ou en activation musculaire séquentielle à l’aide d’un ordinateur.

C’est ce qui est rapporté dans l’étude NeuroLife sur un patient ayant été victime d’un accident qui l’a rendu paraplégique, opéré en 2014 et qui, depuis, a retrouvé un certain degré de capacité à réaliser des mouvements d’un bras. Dans ce cas, le dispositif a consisté à implanter à demeure un micro-capteur d’activité neuronale dans le cortex moteur lors d’une intervention neurochirurgicale, puis à utiliser le signal généré par le patient lui-même lorsqu’il « évoque » l’idée du mouvement et « traité » de façon ad hoc par un programme informatique pour déclencher une séquence de stimulation musculaire à partir d’électrodes placées à la surface des muscles à l’aide de bracelets fixés sur l’avant-bras. Bien que cela soit tout à fait spectaculaire et corresponde objectivement à une vraie amélioration de la qualité de vie du patient, il n’en reste pas moins que de nombreuses équipes au plan international travaillent sur des programmes similaires, parfois avec des progrès allant jusqu’à permettre le déplacement de patients paraplégiques grâce à une « marche imaginée » ; tel est le cas du remarquable programme utilisant avec succès l’implant « WIMAGINE » développé par le laboratoire CLINATEC de Grenoble sous l’impulsion du Professeur Alim-Louis Benabid.

Mais peut-être que l’intérêt le plus important du dispositif NeuroLife est d’utiliser une interface bidirectionnelle permettant, outre la commande motrice, de rétablir un certain degré de sensation du sujet. De fait, lorsque le sujet réalise le mouvement il génère des signaux du membre concerné et ces signaux peuvent alors être transmis par un implant cérébral approprié dans une région « sensorielle » du cortex cérébral, qui vont alors pouvoir être interprétés par le cerveau pour apprécier le mouvement réalisé, impliquant une forme de « décodage » de l’activité sensorielle comme cela a pu être fait avec succès dans le passé pour rétablir une forme d’audition dans le cas des implants cochléaires chez les sourds ou de perception visuelle à partir d’implants rétiniens chez certains aveugles. Un vrai beau succès, si l’on s’en tient à ce que déclare le patient lui-même !

En quoi cette technologie peut-elle révolutionner les pratiques médicales en la matière ? 

Comme je viens de l’indiquer, la compétition est rude pour développer des dispositifs susceptibles d’atteindre un jour le grand public et répondre à l’attente d’un nombre considérable de patients souffrant de déficits moteurs, ce qui explique que de très nombreuses équipes publiques et privées travaillent dans cette direction afin de rendre un peu d’autonomie à ces patients. Les vrais progrès seront alors lorsque ces technologies pourront être mises à disposition du plus grand nombre. Aujourd’hui, si les espoirs sont immenses, notamment en ce qui concerne les capacités des paraplégiques, il n’en reste pas moins que ces technologies balbutiantes présentent encore de nombreuses faiblesses, en particulier en ce qui concerne la sensibilité des capteurs de signaux cérébraux et les capacités de traitement par les ordinateurs des signaux nerveux.

A ce stade, les 2 principales technologies sont basées soit sur l’utilisation de capteurs implantés dans le cerveau pour récupérer au plus près de leur source les signaux nerveux, soit sur le recueil de signaux plus globaux, par voie externe grâce à des électrodes fixées sur des casques placés sur le cuir chevelu. Les premiers capteurs, plus sensibles, ont l’inconvénient d’utiliser des approches invasives par implantation neurochirurgicale à demeure captant les signaux sous forme d’électrocorticogrammes ; les seconds, utilisant soit des ondes électroencéphalographiques (EEG) de faible résolution car devant traverser la boîte crânienne, soit des techniques d’imagerie basées sur l’hémodynamique cérébrale (IRM ou magnétoencéphalographie) encore moins compatibles avec une application en situation écologique. Dès lors, de nombreux efforts visent à optimiser l’utilisation des ondes cérébrales de type EEG pour tenter d’agir sur l’environnement et en particulier pour contrôler des curseurs d’ordinateurs. Ainsi des casques de « réalité virtuelle » utilisant une technologie de « modulation des ondes cérébrales » (P300 pour les spécialistes) paraissent pouvoir être utilisés pour contrôler les éléments d’un monde virtuel…

Et à ce stade, il est aussi opportun de mentionner les risques évoqués par un certain nombre d’équipes de voir la technologie « prendre le pouvoir » d’une personne au travers de ces dispositifs. Il est explicitement mentionné que de tels dispositifs pourraient théoriquement être utilisés pour modifier des comportements en modulant leur activité neuronale ! Comme cela apparaît ici, ces technologies posent de nombreuses questions éthiques, en particulier dans le cas de dispositifs « bidirectionnels » comme ceux évoqués dans l’étude NeuroLife.

Que reste-il à découvrir sur les implants cérébraux ? Quelles sont les perspectives de développement ? 

Comme on le voit, la question des implants cérébraux ne se limite pas à des avancées thérapeutiques, même si les travaux entrepris ont toujours eu cette motivation éminemment essentielle, mais elle touche aussi des objectifs visant à interférer avec les comportements d’autrui, y compris à des fins de produire une augmentation des capacités humaines. Et chacun pourra avoir à l’esprit la problématique du « tracking » par les gouvernements, remise à jour par la problématique de la pandémie du COVID-19 et susceptible d’impliquer nos smartphones, et pourra aussi l’imaginer à partir de puces implantables comme nous le faisons déjà pour pouvoir localiser et identifier nos animaux domestiques. Dans le domaine des implants cérébraux, depuis les années 1950 nous savons qu’il est possible d’agir sur les comportements en procédant à des stimulations localisées de différents territoires cérébraux, concepts qui ont débouché sur des applications thérapeutiques remarquables comme l’amélioration de patients souffrant de maladie de Parkinson, à titre d’illustration, voire de certains types de dépressions, dans les cas les plus favorables. Les questions éthiques sont donc depuis de nombreuses années posées s’agissant des implants cérébraux, et pas seulement dans des fictions, qu’il s’agisse de romans, de films ou encore de jeux vidéo. Dès lors, ces questions doivent assurément accompagner notre démarche scientifique sur les « prothèses mentales », telles qu’elles étaient déjà qualifiées dans les années 80.