Des membres artificiels sophistiqués cartographiés par le cerveau

La réinnervation motrice et sensorielle ciblée (TMSR – Targeted Motor and Sensory reinnervation) est une procédure chirurgicale appliquée à des patients amputés. Celle-ci redirige les nerfs résiduels des membres vers des muscles et des régions de la peau intacts de manière à les adapter à une prothèse, ce qui permet un contrôle jamais atteint jusqu'ici. De par sa nature, la TSMR modifie la manière dont le cerveau traite les données somatosensorielles et du contrôle moteur. Comprendre la manière dont le cerveau re-cartographie ces voies, en explorant pour la première fois le détail des mécanismes cérébraux, permettra d’augmenter le succès des prothèses TMSR. Des scientifiques de l'EPFL viennent d'utiliser l'IRM fonctionnelle (IRMf) à champ ultra-élevé à 7 Tesla pour montrer comment la TMSR affecte les représentations des membres supérieurs dans le cerveau de patients amputés, en particulier dans le cortex moteur primaire et dans le cortex somatosensoriel. Mais aussi dans des régions qui gèrent des fonctions cérébrales plus complexes. Ces découvertes sont publiées dans Brain.

La réinnervation motrice et sensorielle (TMSR) est utilisée pour améliorer le contrôle des prothèses des membres supérieurs. Les nerfs résiduels du membre amputé sont réinnervés et activent de nouvelles cibles musculaires. Ainsi, un patient équipé d'une prothèse TMSR «envoie» des commandes motrices aux muscles réinnervés, où ses intentions de mouvement sont décodées et envoyées au membre artificiel. D'autre part, la stimulation directe de la peau recouvrant les muscles réinnervés est renvoyée au cerveau, induisant une sensation de toucher sur le membre manquant.

Mais comment le cerveau encode-t-il et intègre-t-il un tel toucher artificiel, ainsi que les mouvements du membre artificiel ? Comment cela impacte-t-il notre capacité à mieux intégrer et contrôler les prothèses ? Pour aboutir à un tel contrôle et l'affiner, il faut savoir comment le cerveau du patient re-cartographie différentes voies motrices et somatosensorielles dans le cortex moteur et le cortex somatosensoriel.

Le laboratoire d'Olaf Blanke à l'EPFL, en collaboration avec Andrea Serino du Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV) à Lausanne, ainsi qu'avec des équipes de cliniciens et de chercheurs en Suisse et à l'étranger, ont réussi à cartographier ces changements dans les cortex de trois patients ayant subi des amputations des membres supérieurs. Ces derniers ont été soumis à une TMSR et étaient des utilisateurs expérimentés des prothèses développées par Todd Kuiken et son groupe au Rehabilitation Institute de Chicago.

Les scientifiques ont eu recours à l'imagerie à résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à champ ultra-élevé à 7 Tesla. Une technique qui mesure l'activité cérébrale en détectant les variations du flux sanguin à l'intérieur du cerveau. Cela leur a donné une vision inédite, avec une grande résolution spatiale, de l'organisation corticale des cortex moteur primaire et somatosensoriel de chaque patient.

De manière surprenante, l'étude a montré que la cartographie du cortex moteur du membre amputé était semblable en termes d'étendue, de force et de topographie à celle d'individus sans amputation, mais qu'elles étaient différentes de celles de patients amputés n'ayant pas subi de TMSR et utilisant des prothèses standard. Cela démontre l'impact unique de la procédure chirurgicale TMSR sur la cartographie motrice du cerveau.

Cette approche a même été capable d'identifier des cartographies de doigts manquants (membres fantômes) dans le cortex somatosensoriel des patients TMSR, activées par des régions de la peau réinnervées de la poitrine ou du membre résiduel.

Les cartographies somatosensorielles ont montré que le cerveau avait préservé son organisation topographique originale, bien qu'à un moindre degré que chez les sujets en bonne santé. De plus, alors qu'ils étudiaient les connections entre les cartographies des membres supérieurs dans les deux cortex, les chercheurs ont trouvé des connexions normales chez les patients TMSR, comparables à celles des personnes de contrôle en bonne santé. Cependant, la préservation de la cartographie originale était à nouveau réduite chez les patients non-TMSR, ce qui montre que la procédure TMSR préserve de fortes connexions fonctionnelles entre les cortex primaires moteur et sensoriel.

L'étude a également montré que la TMSR doit encore être améliorée: les connexions entre les cortex primaires moteur et sensoriel dans les zones de représentation de haut niveau dans le cortex fronto-pariétal étaient aussi faibles chez les patients TMSR que chez les patients non-TMSR, et étaient différentes par rapport aux patients en bonne santé.

Cela suggère que, bien qu'ils rendent possible une bonne performance motrice, les membres artificiels renforcés par la TMSR ne peuvent pas encore bouger ni sentir comme un membre normal. Ils ne sont pas encore assimilés par le cerveau du patient à un membre réel. Les scientifiques en concluent que les futures prothèses TMSR devraient inclure un feedback somatosensoriel systématique liés aux mouvements de la main robotique, permettant ainsi aux patients de sentir les conséquences sensorielles des mouvements de leur membre artificiel.

Ces découvertes constituent la première investigation en neuro-imagerie détaillée chez des patients pourvus de membres bioniques basés sur les prothèses TMSR, et montrent que l'IRMf à champ ultra-élevé à 7 Tesla est un outil exceptionnel pour étudier la cartographie des membres supérieurs des cortex moteur et somatosensoriel consécutive à une amputation.

De surcroît, ces découvertes donnent à penser que la TMSR peut contrebalancer une plasticité peu adaptée dans le cortex après la perte d'un membre. Selon les auteurs, cela peut offrir de nouvelles perspectives dans la nature et la réversibilité de la plasticité corticale chez des patients amputés, et sur son lien avec le syndrome des membres fantômes et la douleur.

Enfin, l'étude montre également que de nouvelles avancées en ingénierie sont nécessaires, comme l'intégration d'un feedback somatosensoriel dans les prothèses courantes, capable de les faire bouger et sentir comme des membres réels.

Contributions

• Centre hospitalier universitaire vaudois, Lausanne (CHUV)
• The Gonda Multidisciplinary Brain Research Center (Bar-Ilan University)
• Foundation Campus Biotech, Genève
• EPFL Biomedical Imaging Research Center
• Spinoza Centre for Neuroimaging
• Clinique Romande de Réadaptation – SUVA
• Centro Protesi INAIL
• Rehabilitation Institute of Chicago
• Hôpitaux universitaires de Genève (HUG)

Financement

• Fonds National Suisse
• Fondation Bertarelli

Référence

Andrea Serino, Michel Akselrod, Roy Salomon, Roberto Martuzzi, Maria Laura Blefari, Elisa Canzoneri, Giulio Rognini, Wietske van der Zwaag, Maria Iakova, François Luthi, Amedeo Amoresano, Todd Kuiken, Olaf Blanke. Upper limb cortical maps in amputees with targeted muscle and sensory reinnervation: a 7T fMRI study. Brain 27 October 2017. DOI: 10.1093/brain/awx242