Améliorer le contrôle de la main prothétique :progrès précis de l'interface cerveau-ordinateur

INITIÉ AU Motion Design

Dans une étude menée sur des singes rhésus, des neuroscientifiques du Centre allemand des primates ont étudié comment améliorer la fonctionnalité des interfaces cerveau-ordinateur et donc la motricité fine des neuroprothèses. (Image :Andrés Agudelo-Toro)

Des chercheurs du Centre allemand sur les primates de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les primates à Göttingen ont développé un nouveau protocole de formation pour les interfaces cerveau-ordinateur dans le cadre d'une étude menée sur des singes rhésus. La méthode permet un contrôle précis des mains prothétiques en utilisant uniquement les signaux du cerveau. Les chercheurs ont pu montrer que les signaux neuronaux qui contrôlent les différentes postures des mains dans le cerveau sont principalement importants pour ce contrôle, et non, comme on le pensait auparavant, les signaux qui contrôlent la vitesse du mouvement. Les résultats sont essentiels pour améliorer le contrôle fin des prothèses neurales de la main, qui pourraient redonner aux patients paralysés tout ou partie de leur mobilité.

Porter des sacs de courses, tirer un fil dans le chas d’une aiguille :les poignées puissantes et précises font partie de notre quotidien. Nous ne réalisons l'importance de nos mains que lorsque nous ne pouvons plus les utiliser, par exemple à cause d'une paraplégie ou de maladies comme la SLA, qui provoquent une paralysie musculaire progressive.

Afin d’aider les patients, les scientifiques étudient les neuroprothèses depuis des décennies. Ces mains, bras ou jambes artificiels pourraient redonner aux personnes handicapées leur mobilité. Les connexions nerveuses endommagées sont reliées via des interfaces cerveau-ordinateur qui décodent les signaux du cerveau, les traduisent en mouvements et peuvent ainsi contrôler la prothèse. Cependant, jusqu'à présent, les prothèses de main ne disposaient pas de la motricité fine nécessaire pour être utilisées dans la vie quotidienne.

"Le fonctionnement d'une prothèse dépend principalement des données neuronales lues par l'interface informatique qui la contrôle", a déclaré Andres Agudelo-Toro, scientifique au laboratoire de neurobiologie du Centre allemand des primates et premier auteur de l'étude. "Des études antérieures sur les mouvements des bras et des mains se sont concentrées sur les signaux qui contrôlent la vitesse d'un mouvement de préhension. Nous voulions savoir si les signaux neuronaux représentant les postures des mains pourraient être mieux adaptés pour contrôler les neuroprothèses."

Pour cette étude, les chercheurs ont travaillé avec des singes rhésus (Macaca mulatta). Comme les humains, ils possèdent un système nerveux et visuel très développé ainsi qu’une motricité fine prononcée. Cela les rend particulièrement adaptés à la recherche sur les mouvements de préhension.

Pour préparer l’expérience principale, les scientifiques ont entraîné deux singes rhésus à déplacer la main d’un avatar virtuel sur un écran. Durant cette phase d'entraînement, les singes effectuaient les mouvements de la main avec leur propre main tout en voyant simultanément le mouvement correspondant de la main virtuelle sur l'écran. Un gant de données doté de capteurs magnétiques, que les singes portaient pendant la tâche, enregistrait les mouvements des mains des animaux.

Une fois que les singes ont appris la tâche, ils ont été entraînés à contrôler la main virtuelle dans une étape suivante en « imaginant » la prise. L'activité de populations de neurones dans les zones corticales du cerveau qui sont spécifiquement responsables du contrôle des mouvements des mains a été mesurée. Les chercheurs se sont concentrés sur les signaux qui représentent les différentes postures des mains et des doigts et ont adapté l'algorithme de l'interface cerveau-ordinateur, qui traduit les données neuronales en mouvement, dans un protocole correspondant.

"En nous écartant du protocole classique, nous avons adapté l'algorithme de sorte que non seulement la destination d'un mouvement soit importante, mais aussi la manière dont on y arrive, le chemin d'exécution", a expliqué Andres Agudelo-Toro. "Cela a finalement conduit aux résultats les plus précis."

Les chercheurs ont ensuite comparé les mouvements de la main de l'avatar avec les données de la main réelle qu'ils avaient précédemment enregistrées et ont pu montrer que ceux-ci étaient exécutés avec une précision comparable.

"Dans notre étude, nous avons pu montrer que les signaux qui contrôlent la posture d'une main sont particulièrement importants pour contrôler une neuroprothèse", a déclaré Hansjörg Scherberger, chef du laboratoire de neurobiologie et auteur principal de l'étude. "Ces résultats peuvent désormais être utilisés pour améliorer la fonctionnalité des futures interfaces cerveau-ordinateur et ainsi également pour améliorer la motricité fine des prothèses neurales."

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