Pour les personnes paralysées ou amputées, des systèmes neuroprothétiques qui stimulent artificiellement la contraction musculaire avec un courant électrique peuvent les aider à retrouver la fonction de leurs membres. Cependant, malgré de nombreuses années de recherche, ce type de prothèse est peu utilisé car il entraîne une fatigue musculaire rapide et un mauvais contrôle.
Les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle approche qui, espèrent-ils, pourra un jour offrir un meilleur contrôle musculaire avec moins de fatigue. Au lieu d’utiliser l’électricité pour stimuler les muscles, ils ont utilisé la lumière. Dans une étude chez la souris, les chercheurs ont montré que cette technique optogénétique offre un contrôle musculaire plus précis, ainsi qu’une diminution spectaculaire de la fatigue.
« Il s’avère qu’en utilisant la lumière, grâce à l’optogénétique, on peut contrôler les muscles plus naturellement. En termes d’application clinique, ce type d’interface pourrait avoir une utilité très large », déclare Hugh Herr, professeur d’arts et de sciences médiatiques, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT et membre associé du MIT. Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau.
L’optogénétique est une méthode basée sur le génie génétique de cellules pour exprimer des protéines sensibles à la lumière, ce qui permet aux chercheurs de contrôler l’activité de ces cellules en les exposant à la lumière. Cette approche n’est actuellement pas réalisable chez l’homme, mais Herr, Guillermo Herrera-Arcos, étudiant diplômé du MIT, et leurs collègues du K. Lisa Yang Center for Bionics travaillent actuellement sur des moyens d’administrer des protéines sensibles à la lumière de manière sûre et efficace dans les tissus humains.
Herr est l’auteur principal de l’étude, qui apparaît aujourd’hui dans Robotique scientifique. Herrera-Arcos est l’auteur principal de l’article.
Contrôle optogénétique
Depuis des décennies, les chercheurs explorent l’utilisation de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) pour contrôler les muscles du corps. Cette méthode consiste à implanter des 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 façon dont le corps humain contrôle naturellement la contraction musculaire.
« Les humains ont cette incroyable fidélité de contrôle qui est obtenue par un recrutement naturel du muscle, où de petites unités motrices, puis de taille moyenne, puis de grandes unités motrices sont recrutées, dans cet ordre, à mesure que la force du signal augmente », explique Herr. « Avec FES, lorsque vous faites exploser 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 d’un coup, vous obtenez trop de force.
Cette force importante rend non seulement plus difficile le contrôle musculaire précis, mais elle use également le muscle rapidement, en cinq ou dix minutes.
L’équipe du MIT voulait voir si elle pouvait remplacer toute cette interface par quelque chose de différent. Au lieu d’électrodes, ils ont décidé d’essayer de contrôler la contraction musculaire à l’aide de machines optiques moléculaires via l’optogénétique.
En utilisant des souris comme modèle animal, les chercheurs ont comparé la quantité de force musculaire qu’elles pouvaient générer en utilisant l’approche FES traditionnelle avec les forces générées par leur méthode optogénétique. Pour les études optogénétiques, ils ont utilisé des souris déjà génétiquement modifiées pour exprimer une protéine sensible à la lumière appelée canalrhodopsine-2. Ils ont implanté une petite source de lumière près du nerf tibial, qui contrôle les muscles du bas de la jambe.
Les chercheurs ont mesuré la force musculaire à mesure qu’ils augmentaient progressivement la quantité de stimulation lumineuse et ont découvert que, contrairement à la stimulation FES, le contrôle optogénétique produisait une augmentation constante et progressive de la contraction du muscle.
« À mesure que nous modifions la stimulation optique que nous délivrons au nerf, nous pouvons contrôler proportionnellement, de manière presque linéaire, la force du muscle. Ceci est similaire à la façon dont les signaux de notre cerveau contrôlent nos muscles. De ce fait, il devient plus facile de contrôler le muscle par rapport à la stimulation électrique », explique Herrera-Arcos.
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 sortie du muscle (la quantité de force générée).
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, une fois le muscle contracté, un capteur peut détecter 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 atteindre 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, alors que les muscles se fatiguaient après seulement 15 minutes grâce à la stimulation FES.
L’un des obstacles que les chercheurs s’efforcent actuellement de surmonter est de savoir comment introduire en toute sécurité des protéines sensibles à la lumière dans les tissus humains. Il y a plusieurs années, le laboratoire de Herr a rapporté que chez le rat, ces protéines peuvent déclencher une réponse immunitaire qui inactive les protéines et pourrait également conduire à une atrophie musculaire et à la mort cellulaire.
« L’un des objectifs clés du Centre K. Lisa Yang pour la bionique est de résoudre ce problème », explique 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. »
Comme mesures supplémentaires 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 façons d’implanter la source de lumière. En cas de succès, les chercheurs espèrent que leur stratégie pourrait bénéficier aux personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral, une amputation d’un membre ou une lésion de la moelle épinière, ainsi qu’à d’autres dont la capacité à contrôler leurs membres est réduite.
« Cela pourrait conduire à une stratégie mini-invasive qui changerait la donne en termes de soins cliniques pour les personnes souffrant d’une pathologie des membres », explique Herr.
La recherche a été financée par le K. Lisa Yang Center for Bionics du MIT.
