Un groupe de chercheurs franco-suisse vole la vedette à Neuralink. L’entreprise d’Elon Musk, qui fait régulièrement parler d’elle, développe un implant neuronal sans trop atteindre de réelles avancées dans ce domaine. De son côté, les scientifiques en question ont publié le 24 mai dans la revue Nature une étude détaillant comment ils sont parvenus à faire marcher de nouveau une personne paraplégique grâce à une interface cerveau-machine (BCI, pour brain computer interface). Les chercheurs souhaitent faire de cette avancée une thérapie disponible dans le monde entier dans les années à venir. Explications sur le fonctionnement de cette prouesse médicale.
Deux types d’implants
Pour marcher, le cerveau envoie une commande vers la moelle épinière, qui active le membre. Chez Gert-Jan, patient paraplégique au coeur de l'expérience, ce lien entre le cerveau et la moelle épinière a été rompu à la suite d'un accident de vélo. Les chercheurs ont réussi à rétablir cette connexion via un "pont digital" lui permettant de retrouver le contrôle de ses jambes par la pensée. Baptisés Wimagine, des implants positionnés au contact du cerveau décodent les signaux électriques émis par celui-ci lorsque la personne pense à marcher, tandis qu'un neurostimulateur installé sur la moelle épinière transmet l’information aux muscles. «Ce n’est pas une percée scientifique ponctuelle. Ce "pont digital" est le résultat de 20 ans de recherches», clame en introduction Grégoire Courtine, professeur en neurosciences à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), au Centre hospitalier universitaire Vaudois (CHUV) et à l'Université de Lausanne (UNIL). Une première expérimentation menée par les équipes de Clinatec à Grenoble, qui participent aussi au projet, avait été menée en 2019 : une personne tétraplégique avait pu contrôler un exosquelette par la pensée.
Une condition est primordiale : que la moelle épinière du patient soit encore fonctionnelle sur une zone précise pour accueillir le neurostimulateur. La moelle épinière étant très différente d’une personne à l’autre, il est indispensable d’étudier minutieusement l’anatomie de chaque patient en amont. Il faut savoir où positionner le neurostimulateur pour toucher le plus de racines nerveuses chargées d'activer les différents muscles des jambes. «Un modèle computationnel de chaque patient» est effectué, allant jusqu’aux racines nerveuses, explique Grégoire Courtine. Les électrodes, connectées à un stimulateur, sont positionnées pour activer ces racines nerveuses. Les chercheurs assurent être parvenus à réaliser une stimulation électrique extrêmement localisée.
Un implant cérébral non pénétrant
Côté implant cérébral, la neurochirurgienne Jocelyne Bloch, également professeure au CHUV, à l’UNIL et à l’EPFL, se veut rassurante : «Ce sont des électrodes intracorticales non pénétrantes», indique-t-elle. La neurochirurgienne s’est lancée dans le projet lorsqu’une technologie moins invasive, restant en surface du cerveau, a été trouvée. Celle-ci provient du CEA de Grenoble, qui a développé cet implant cérébral de 5 centimètres de diamètres et d’environ 50 grammes. «Le dispositif est composé de 64 électrodes enregistrant l’activité électrique au niveau du cortex moteur correspondant aux mouvements des jambes», explique Guillaume Charvet, responsable du programme BCI au CEA. L’implant Wimagine se veut stable dans le temps et robuste.
CEA Les implants Wimagine mis au point par le CEA ne sont pas trop invasifs. Crédit photo : CEA
«Deux craniotomies sont réalisées pour fixer ces implants, détaille Jocelyne Bloch. Un petit morceau d’os est enlevé et remplacé par l’implant dont les électrodes sont placées directement au contact de la dure-mère. La peau est repositionnée au-dessus de l’implant.» Aucun câble extérieur n’est apparent. Lorsque le patient souhaite utiliser le dispositif, il s'équipe d'un casque, qui alimente en énergie les implants cérébraux et comporte deux antennes pour récupérer les signaux détectés par les implants cérébraux. Ces données sont transmises par un fil jusqu’à un terminal qui numérise les signaux et réalise un premier traitement. Ce boitier est lui-même relié à un ordinateur sur lequel l’algorithme de décodage est programmé et communique avec le neurostimulateur qui, lui, délivre les instructions électriques à la moelle épinière.
EPFL - Jimmy Ravier Gert-Jan doit porter un casque pour que le dispositif fonctionne. Crédit photo : Jimmy Ravier.
De l’IA pour décoder les signaux
Une fois l’activité cérébrale enregistrée, il faut mettre au point le modèle de décodage. Une étape assez rapide où Gert-Jan a contrôlé un avatar sur un écran d’ordinateur. «En quelques minutes seulement, un modèle a été mis au point pour contrôler cet avatar», s’exclame Henri Lorach, responsable du programme Brain-Computer Interface à l'EPFL, au CHUV et à l’UNIL. L’algorithme pour décoder l’activité cérébrale est basée sur des modèles de machine learning. «Un modèle mathématique fait le lien entre l’activité cérébrale et l’intention de mouvement», détaille Henri Lorach.
Enfin, ce décodage doit être connecté à la stimulation de la moelle épinière. Des modèles d’intelligence artificielle sont également utilisés pour déterminer de façon très fine quelles stimulations doivent être réalisées au niveau de la moelle épinière. L’algorithme est paramétré pour détecter des mouvements isolés précis. Une fois mis en séquence, ces mouvements permettent au patient de marcher. Ce dernier doit seulement... y penser. Pour l’instant, le décodage des signaux impose une latence de 300 millisecondes. Un gros travail a été fait pour les algorithmes soient réactifs – une nécessité pour bénéficier de mouvements naturels.
Pour contrôler le dispositif, Gert-Jan a dû s'entraîner durant une quarantaine de sessions. Aujourd’hui, il parvient même à monter des escaliers. L’équipe de chercheurs a d'ailleurs constaté que la stimulation électrique a engendré la régénération de fonctions neurologiques perdues depuis plusieurs années, qui étaient restées fonctionnelles même après avoir coupé le "pont digital". Une piste de recherche qui ne doit pas être négligée. Gert-Jan a pu ramener cet équipement chez lui : l’ensemble de la technologie a été intégrée sur un déambulateur qui fonctionne sur batterie. Si le système mobile est conçu pour fonctionner deux heures, il l’utilise très majoritairement chez lui, environ 30 minutes par jour en raison de la fatigue induite par cette technologie.
A terme, les chercheurs aimeraient miniaturiser l’ordinateur et intégrer l’algorithme de décodage directement sur une puce électronique. Le but étant de se passer de tout fil et de réduire encore plus les délais de latence. Le développement d’une version plus sophistiquée prendra au moins cinq ans avant d’avoir les autorisations pour mener des essais pivots. La société Onward Medical se charge de ce développement commercial. En parallèle, une équipe mène des essais avec trois patients sur la récupération des membres supérieurs en utilisant cette même innovation. Les chercheurs aimeraient également se pencher sur l'emploi d’un tel dispositif pour des personnes souffrant d’une paralysie due à un accident vasculaire-cérébral (AVC).
