Vous pouvez probablement accomplir un nombre incroyable de tâches avec vos mains sans les regarder. Mais si vous portez des gants qui atténuent votre sens du toucher, bon nombre de ces tâches simples deviennent frustrantes. Supprimez la proprioception – votre capacité à ressentir la position et le mouvement relatifs de votre corps – et vous pourriez même finir par casser un objet ou vous blesser.
« La plupart des gens ne réalisent pas à quelle fréquence ils comptent sur le toucher plutôt que sur la vision – en tapant, en marchant, en ramassant une fragile tasse d'eau », a déclaré Charles Greenspon, PhD, neuroscientifique à l'Université de Chicago.
Si vous ne pouvez pas sentir, vous devez constamment surveiller votre main pendant que vous faites quoi que ce soit, et vous risquez toujours de renverser, d'écraser ou de faire tomber des objets. »
Charles Greenspon, neuroscientifique, Université de Chicago
Greenspon et ses collaborateurs de recherche ont récemment publié des articles dans Génie biomédical naturel et Science documentant des progrès majeurs sur une technologie conçue pour résoudre précisément ce problème : une stimulation électrique directe et soigneusement chronométrée du cerveau qui peut recréer un retour tactile pour donner une « sensation » nuancée aux mains prothétiques.
Sommaire
La science de la restauration des sensations
Ces nouvelles études s'appuient sur des années de collaboration entre scientifiques et ingénieurs de l'UChicago, de l'Université de Pittsburgh, de l'Université Northwestern, de l'Université Case Western Reserve et de Blackrock Neurotech. Ensemble, ils conçoivent, construisent, mettent en œuvre et perfectionnent des interfaces cerveau-ordinateur (BCI) et des bras prothétiques robotisés visant à restaurer à la fois le contrôle moteur et les sensations chez les personnes ayant perdu une fonction importante de leurs membres.
Du côté de l'UChicago, la recherche a été dirigée par le neuroscientifique Sliman Bensmaia, PhD, jusqu'à son décès inattendu en 2023.
L'approche des chercheurs en matière de sensation prothétique consiste à placer de minuscules réseaux d'électrodes dans les parties du cerveau responsables du mouvement et de la sensation de la main. D’un côté, un participant peut déplacer un bras robotique en pensant simplement au mouvement, et de l’autre côté, les capteurs de ce membre robotique peuvent déclencher des impulsions d’activité électrique appelées microstimulation intracorticale (ICMS) dans la partie du cerveau dédiée au toucher.
Pendant environ une décennie, a expliqué Greenspon, cette stimulation du centre tactile ne pouvait procurer qu'une simple sensation de contact à différents endroits de la main.
« Nous pouvions évoquer le sentiment que vous touchiez quelque chose, mais il s'agissait principalement d'un signal marche/arrêt, et souvent il était assez faible et difficile de dire où se produisait le contact sur la main », a-t-il déclaré.
Les résultats récemment publiés marquent des étapes importantes pour dépasser ces limites.
Faire progresser la compréhension du toucher artificiel
Dans la première étude, publiée dans Génie biomédical naturelGreenspon et ses collègues se sont attachés à garantir que les sensations tactiles évoquées électriquement soient stables, localisées avec précision et suffisamment fortes pour être utiles dans les tâches quotidiennes.
En envoyant de courtes impulsions à des électrodes individuelles dans les centres tactiles des participants et en leur demandant d'indiquer où et avec quelle intensité ils ont ressenti chaque sensation, les chercheurs ont créé des « cartes » détaillées des zones cérébrales correspondant à des parties spécifiques de la main. Les tests ont révélé que lorsque deux électrodes rapprochées sont stimulées ensemble, les participants ressentent un contact plus fort et plus clair, ce qui peut améliorer leur capacité à localiser et à mesurer la pression sur la bonne partie de la main.
Les chercheurs ont également mené des tests exhaustifs pour confirmer que la même électrode crée systématiquement une sensation correspondant à un endroit spécifique.
« Si je stimule une électrode le premier jour et qu'un participant la sent sur son pouce, nous pouvons tester cette même électrode au jour 100, au jour 1 000, voire plusieurs années plus tard, et il la sentira toujours à peu près au même endroit », a déclaré Greenspon. , qui était l’auteur principal de cet article.
D’un point de vue pratique, tout dispositif clinique doit être suffisamment stable pour qu’un patient puisse s’en servir au quotidien. Une électrode qui déplace continuellement son « emplacement tactile » ou produit des sensations incohérentes serait frustrante et nécessiterait un réétalonnage fréquent. En revanche, la cohérence à long terme révélée par cette étude pourrait permettre aux utilisateurs de prothèses de développer leur confiance dans leur contrôle moteur et leur sens du toucher, tout comme ils le feraient avec leurs membres naturels.
Ajouter des sensations de mouvement et de formes
Le complémentaire Science paper est allé plus loin pour rendre le toucher artificiel encore plus immersif et intuitif. Le projet a été dirigé par le premier auteur Giacomo Valle, PhD, ancien boursier postdoctoral à UChicago qui poursuit actuellement ses recherches en bionique à l'Université de technologie Chalmers en Suède.
« Deux électrodes côte à côte dans le cerveau ne créent pas de sensations qui » carrelent « la main en petites zones nettes avec une correspondance biunivoque ; au lieu de cela, les emplacements sensoriels se chevauchent », a expliqué Greenspon, qui a partagé la paternité principale de cette étude. papier avec Bensmaia.
Les chercheurs ont décidé de tester s'ils pouvaient utiliser cette nature superposée pour créer des sensations permettant aux utilisateurs de ressentir les limites d'un objet ou le mouvement de quelque chose glissant sur leur peau. Après avoir identifié des paires ou des groupes d'électrodes dont les « zones tactiles » se chevauchaient, les scientifiques les ont activées selon des schémas soigneusement orchestrés pour générer des sensations qui progressaient à travers la carte sensorielle.
Les participants ont décrit avoir ressenti un léger toucher glissant sur leurs doigts, malgré le fait que le stimulus soit délivré par petites étapes discrètes. Les scientifiques attribuent ce résultat à la capacité remarquable du cerveau à assembler les entrées sensorielles et à les interpréter comme des expériences cohérentes et émouvantes en « comblant » les lacunes de la perception.
L'approche consistant à activer séquentiellement les électrodes a également considérablement amélioré la capacité des participants à distinguer des formes tactiles complexes et à réagir aux changements dans les objets qu'ils ont touchés. Ils pouvaient parfois identifier les lettres de l'alphabet « tracées » électriquement sur le bout de leurs doigts, et ils pouvaient utiliser un bras bionique pour stabiliser un volant lorsqu'il commençait à glisser entre la main.
Ces progrès contribuent à rapprocher le retour bionique des capacités d’adaptation précises, complexes et naturelles du toucher, ouvrant la voie à des prothèses permettant une manipulation en toute confiance des objets du quotidien et des réponses aux stimuli changeants.
L'avenir des neuroprothèses
Les chercheurs espèrent qu’à mesure que la conception des électrodes et les méthodes chirurgicales continuent de s’améliorer, la couverture sur la main deviendra encore plus fine, permettant ainsi un retour plus réaliste.
« Nous espérons intégrer les résultats de ces deux études dans nos systèmes robotiques, où nous avons déjà montré que même des stratégies de stimulation simples peuvent améliorer les capacités des personnes à contrôler les bras robotiques avec leur cerveau », a déclaré le co-auteur Robert Gaunt, PhD, professeur agrégé. de médecine physique et de réadaptation et responsable du travail de stimulation à l'Université de Pittsburgh.
Greenspon a souligné que la motivation derrière ce travail est d'améliorer l'indépendance et la qualité de vie des personnes vivant avec une perte de membre ou une paralysie.
« Nous nous soucions tous des personnes dans nos vies qui sont blessées et perdent l'usage d'un membre – cette recherche est pour elles », a-t-il déclaré. « C'est ainsi que nous redonnons le contact aux gens. C'est l'avant-garde de la neurotechnologie réparatrice, et nous travaillons à étendre l'approche à d'autres régions du cerveau. »
L’approche est également prometteuse pour les personnes souffrant d’autres types de perte sensorielle. En fait, le groupe a également collaboré avec des chirurgiens et des obstétriciens de l'UChicago sur le Bionic Breast Project, qui vise à produire un dispositif implantable capable de restaurer le sens du toucher après une mastectomie.
Même si de nombreux défis demeurent, ces dernières études prouvent que la voie à suivre pour restaurer le toucher devient plus claire. Avec chaque nouvelle série de découvertes, les chercheurs se rapprochent d’un avenir dans lequel une partie du corps prothétique ne sera pas seulement un outil fonctionnel, mais aussi un moyen de découvrir le monde.
