Une jambe robotisée entièrement contrôlée par le cerveau et la moelle épinière a permis à sept personnes ayant perdu une jambe de marcher aussi vite que des personnes non amputées.

La jambe bionique utilise une interface informatique qui amplifie les signaux nerveux des muscles de la partie restante de la jambe, permettant ainsi au porteur de déplacer la prothèse en utilisant ses propres pensées et ses réflexes naturels.

Dans un essai clinique mené auprès de 14 personnes, les participants dotés de cette interface ont pu marcher 41 % plus vite que ceux dotés de jambes robotiques traditionnelles. Ils avaient également un meilleur équilibre et la capacité de changer de vitesse, de monter des escaliers et de surmonter des obstacles. Les résultats ont été annoncés aujourd'huiMédecine naturellepublié 1.

"Il s'agit de la première étude à montrer des schémas de démarche naturels avec une modulation neuronale complète, où le cerveau de la personne a un contrôle à 100 % sur la prothèse bionique, et non sur un algorithme robotique", a déclaré le co-auteur de l'étude. Hugues Seigneur, biophysicien au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, lors d'une conférence de presse annonçant les résultats.

"Bien que la jambe soit faite de titane, de silicone et de divers composants électromécaniques, la jambe se sent et bouge naturellement, sans réflexion consciente", a-t-il ajouté.

Herr a été amputé des deux jambes après s'être retrouvé bloqué sur la glace du mont Washington dans le New Hampshire lors d'une tempête de neige en 1982. Il dit qu'il envisagerait d'utiliser des dispositifs d'interface pour ses membres à l'avenir.

Le muscle rencontre la machine

La plupart des membres artificiels bioniques existants s'appuient sur des algorithmes prédéfinis pour contrôler les mouvements et peuvent basculer automatiquement entre des modes prédéfinis pour différentes conditions de marche. Les modèles avancés ont aidé les personnes amputées à marcher, courir et monter les escaliers de manière plus fluide, mais le robot conserve le contrôle du mouvement des jambes, pas celui de l'utilisateur, et l'appareil ne donne pas l'impression de faire partie du corps.

Déterminés à changer cela, Herr et ses collègues ont développé une interface qui contrôle la jambe robotique en utilisant les signaux des nerfs et des muscles restants après l'amputation.

Leur essai clinique comprenait 14 participants amputés sous le genou. Avant de porter le dispositif robotique, sept d’entre eux ont subi une intervention chirurgicale pour relier des paires de muscles dans les sections restantes de leurs jambes.

Cette technique chirurgicale, qui crée une interface myoneurale (IAM) agoniste-antagoniste, vise à recréer des mouvements musculaires naturels afin que la contraction d'un muscle en étire un autre. Cela permet de soulager la douleur, de maintenir la masse musculaire et d'améliorer le confort avec la jambe bionique. 2.

La jambe bionique elle-même comprend une cheville prothétique équipée de capteurs et d'électrodes fixés à la surface de la peau. Ceux-ci captent les signaux électriques générés par les muscles au niveau du site d’amputation et les envoient à un petit ordinateur pour décodage. La jambe pèse 2,75 kilogrammes, ce qui est similaire au poids moyen d’un bas de jambe naturel.

Améliorations rapides

Pour tester le système, les participants se sont entraînés avec leurs nouvelles jambes bioniques pendant six heures chacun. Les chercheurs ont ensuite comparé leurs performances sur diverses tâches avec celles des sept autres participants ayant subi une chirurgie conventionnelle et des prothèses.

L'AMI a augmenté le taux de signaux musculaires à une moyenne de 10,5 impulsions par seconde, contre environ 0,7 impulsions par seconde dans le groupe témoin. Bien que cela ne représente que 18 % des impulsions musculaires dans des muscles biologiquement intacts - environ 60 impulsions par seconde - les participants atteints d'IAM étaient capables de contrôler pleinement leurs prothèses et marchaient 41 % plus vite que ceux du groupe témoin. Leurs vitesses de pointe correspondent à celles de personnes non amputées marchant sur un chemin plat le long d'un couloir de 10 mètres de long.

"En fait, j'ai trouvé remarquable qu'ils puissent réussir si bien avec si peu d'apprentissage", déclare Levi Hargrove, neuroscientifique à la Northwestern University de Chicago, dans l'Illinois. "Ils verraient encore plus d'avantages avec une période de formation plus longue sur le port de l'appareil."

Les chercheurs ont également testé la capacité des participants à gérer diverses situations, notamment marcher sur un sol incliné de 5 degrés, monter des escaliers et surmonter des obstacles. Dans tous les scénarios, les utilisateurs d’AMI ont démontré un meilleur équilibre et des performances plus rapides que les personnes du groupe témoin.

"Cela donne à l'utilisateur un degré de flexibilité tellement élevé qu'il est beaucoup plus proche de la jambe biologique", explique Tommaso Lenzi, ingénieur biomédical à l'Université de l'Utah à Salt Lake City.

Expérience naturelle

La technologie offre un nouvel espoir aux personnes amputées qui souhaitent retrouver une marche naturelle. "Les personnes amputées veulent garder le contrôle de leurs membres. Elles veulent avoir l'impression que le membre fait partie de leur corps", explique Lenzi. "Ce type d'interface neuronale est nécessaire pour y parvenir."

Des améliorations apportées à la conception de la jambe pourraient réduire le poids et optimiser les électrodes de surface, qui sont sensibles à l'humidité et à la sueur et pourraient ne pas convenir à un usage quotidien, explique Lenzi. De futures études seront nécessaires pour tester si l'appareil peut gérer des activités plus exigeantes telles que le sprint et le saut.

Herr dit que son équipe étudie déjà des moyens de remplacer les électrodes de surface par de petites boules magnétiques implantées capables de suivre avec précision les mouvements musculaires.

Cette étude « fournit la base dont nous avons besoin pour ensuite traduire cela en technologies et solutions cliniquement viables pour toutes les personnes amputées », explique Lenzi.