Une prothèse de jambe à l'instinct améliore la santé

Les personnes dont les jambes sont intactes sentent quand elles bougent leur genou ou quand leurs pieds touchent le sol. Leur système nerveux utilise en permanence de tels retours sensoriels pour commander les muscles avec précision. Cependant, les personnes qui doivent porter une prothèse de jambe ne savent pas exactement où se trouve la prothèse et comment elle se déplace. Il est difficile pour ces personnes de faire confiance à leur prothèse lorsqu'elles marchent, et elles se fient donc souvent trop à leur jambe intacte. Leur mobilité est donc réduite et elles se fatiguent rapidement. De plus, les personnes amputées souffrent souvent de douleurs fant?mes qu'il est difficile de soulager avec des médicaments.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l'ETH Zurich et la start-up lausannoise Sensars, vient de mettre au point une interface permettant de connecter une prothèse de jambe aux nerfs de la cuisse de l'utilisateur, afin de permettre un retour sensoriel. Dans le cadre d'une étude menée en collaboration avec l'Université de Belgrade, les scientifiques ont testé ce système de neurofeedback sur deux utilisateurs volontaires de prothèses amputés d'une jambe au-dessus du genou.

"Notre étude de faisabilité montre à quel point il est bénéfique pour la santé des amputés des membres inférieurs d'avoir une prothèse qui fonctionne avec des implants neuronaux pour rétablir le feedback sensoriel", explique Stanisa Raspopovic, professeur à l'Institut universitaire romand de robotique et de systèmes intelligents de l'ETH Zurich. Lui et ses collègues en parlent dans le dernier numéro de la revue spécialisée page externeNature Medicine.

Transformer les signaux artificiels en signaux naturels

Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé une prothèse disponible dans le commerce avec une articulation du genou électronique de haute technologie. Ils ont fixé des capteurs tactiles à la semelle du pied prothétique. Pendant les trois mois de l'étude, les chirurgiens ont placé de minuscules électrodes dans la cuisse des volontaires et les ont reliées aux nerfs de la jambe présents à cet endroit.

"L'objectif de l'opération était de placer des électrodes aux bons endroits à l'intérieur du nerf afin de permettre la restauration d'un retour sensoriel digne de la vie et d'assurer la stabilité des électrodes", explique Marko Bumbasirevic, professeur et microchirurgien orthopédique au Centre clinique de Serbie à Belgrade, qui était responsable de l'implantation de l'électrode. Les électrodes ont été développées par des chercheurs de l'université de Fribourg-en-Brisgau et les prothèses par la société de prothèses ?ssur, qui ont toutes deux participé activement au projet.

L'équipe de recherche a développé des algorithmes pour traduire les informations du capteur tactile de la plante du pied et des capteurs de mouvement de l'articulation électronique du genou en impulsions électriques - le langage du système nerveux. Les électrodes ont transmis ces impulsions au nerf, et la nature s'est occupée du reste : les signaux nerveux sont transmis au cerveau, les sponsors ont ainsi pu percevoir la prothèse et adapter leur démarche en conséquence. La machine et le corps sont ainsi devenus une unité.

Moins d'effort pour marcher

Dans le cadre de l'étude, les sujets ont effectué une série de tests, alternativement avec et sans neurofeedback. Les résultats ont clairement montré les avantages du feedback : la marche avec le neurofeedback était beaucoup moins fatigante physiquement pour les sujets, ce qui s'est traduit par une consommation d'oxygène nettement réduite. La marche avec le neurofeedback était également moins fatigante mentalement, comme l'ont montré les chercheurs en mesurant l'activité cérébrale. Les personnes testées n'ont pas eu à se concentrer autant sur la marche et ont pu concentrer leur attention sur d'autres t?ches.

Lors d'un test difficile, les sujets devaient marcher sur du sable. Le feedback leur a permis de marcher nettement plus vite. Dans les sondages, les sujets ont indiqué que le neurofeedback avait fortement augmenté leur confiance dans la prothèse.

Moins de douleurs fant?mes

L'interface avec le système nerveux peut également être utilisée pour stimuler les nerfs indépendamment de la prothèse. Avant de commencer l'étude, les deux participants se sont plaints de douleurs fant?mes. Savo Panic, l'un des sujets de l'étude, se réveillait souvent la nuit à cause de douleurs fant?mes. "L'orteil que je n'ai pas me faisait mal - mon gros orteil, mon pied, mon talon, ma cheville et mon mollet, tout me faisait mal, alors que je n'ai plus rien de tout cela", dit-il. Dans le cadre d'un programme de thérapie par neurostimulation d'un mois, les scientifiques sont parvenus à réduire considérablement cette douleur chez l'un des sujets, et chez Panic, elle a même complètement disparu. "Depuis que j'ai commencé la neurostimulation, je n'ai plus de douleurs fant?mes", déclare ce dernier.

Ces résultats rendent les chercheurs optimistes. Ils soulignent toutefois qu'une étude plus longue, au cours de laquelle un plus grand nombre de sujets testeraient le système dans la vie quotidienne, est nécessaire pour pouvoir tirer des conclusions plus fiables. Pour l'étude clinique limitée dans le temps, les signaux de la prothèse ont été transmis par des c?bles à travers la peau jusqu'aux électrodes situées dans la cuisse. Cela signifiait que les participants à l'essai devaient se soumettre régulièrement à un examen médical. Pour éviter cela, les scientifiques veulent développer un système entièrement implantable. "Chez Sensars, nous prévoyons de développer un dispositif de neurostimulation sans fil qui pourrait être entièrement implanté chez le patient, comme un stimulateur cardiaque, et mis sur le marché", explique Francesco Petrini, CEO de Sensars.

Outre l'ETH Zurich, les universités de Belgrade et de Fribourg-en-Brisgau, Sensars et ?ssur, des chercheurs de l'EPFL, de la Scuola Superiore Sant'Anna de Pise, de l'université de Montpellier et de l'entreprise mBrainTrain ont participé à ce projet.