Cas clinique : Je pense donc je marche

Une lésion de la moelle épinière interrompt la communication entre le cerveau et les neurones moteurs de la moelle lombosacrée, entraînant une paralysie permanente des membres inférieurs. Bien que la majorité des lésions médullaires n'endommage pas directement ces neurones, la perturbation des voies descendantes interrompt les commandes corticales nécessaires pour produire la marche. Il a été montré que la stimulation électrique épidurale des zones d'entrée des racines dorsales de la moelle lombosacrée reproduit l’activation physiologique des motoneurones spécifiques des membres inférieurs qui sous-tendent la station debout et la marche. Cependant, cette récupération nécessite des capteurs de mouvement pour détecter les intentions motrices à partir des mouvements résiduels ou des stratégies compensatoires, afin de lancer les séquences de stimulation préprogrammées. Par conséquent, la marche n'a pas été perçue comme totalement naturelle et l’adaptation des mouvements aux changements de terrain et aux demandes volontaires était limitée.

Une équipe suisse a mis au point une interface cerveau-machine (BSI pour brain-spine interface) afin de rétablir la communication entre le cerveau et la moelle. Ce pont numérique sans fil comporte deux systèmes implantés : l’un permet d'enregistrer l'activité corticale et l’autre, après conversion des signaux corticaux, la stimulation épidurale de la moelle épinière lombo-sacrée modulée par cette activité corticale, ciblant les régions impliquées dans la marche, en temps réel.

Un homme de 38 ans victime d’une lésion incomplète de la moelle cervicale (C5-C6) lors d'un accident de vélo dix ans auparavant a été recruté. Il avait déjà participé à l'essai STIMO qui comportait un programme de neuro-réadaptation de 5 mois soutenu par une stimulation électrique épidurale de la moelle qui lui a permis de retrouver la capacité de marcher à l'aide d'un déambulateur. Malgré l'utilisation continue de la stimulation à domicile pendant 3 ans, il a atteint un plateau de récupération neurologique le motivant à s'inscrire au programme STIMO-BSI.

Un pont numérique entre le cerveau et la moelle épinière

Afin d’identifier les régions corticales les plus réactives à l’intention de mouvement de chaque articulation des membres inférieurs, des données d'imagerie anatomique et fonctionnelle ont été intégrées aux contraintes anatomiques pour définir le positionnement optimal des implants sur le cortex sensorimoteur. L'intervention neurochirurgicale guidée par neuronavigation, a permis la mise en place des 2 implants composés de 64 électrodes d'enregistrement d’électrocorticographie (ECoG) en regard des régions identifiées à la place de 2 volets osseux de 5 cm de diamètre, avant de refermer le cuir chevelu.

La position de la sonde à palette sur les zones d’entrée des racines dorsales lombaires a été identifiée à l'aide d'un modèle personnalisé du rachis élaboré à partir d'une imagerie structurelle à haute résolution. L'emplacement final a été optimisé en per-opératoire grâce à des enregistrements électrophysiologiques. Le générateur d'impulsions implantable connecté à la sonde a été inséré dans une poche sous-cutanée abdominale.

Pour étalonner le BSI le participant a été invité à effectuer des mouvements de chaque articulation en position assise au cours desquels les signaux ECoG liés à l'intention de mobiliser les membres inférieurs ont été enregistrés, permettant d’établir une cartographie et configurer les programmes de stimulation modulant des ensembles spécifiques de muscles. Puis, les programmes de stimulation épidurale de la moelle ont été configurés afin d’orienter les champs électriques vers des sous-ensembles spécifiques de zones d'entrée des racines dorsales afin de moduler des ensembles définis de neurones moteurs. Grâce à des algorithmes basés sur l’intelligence artificielle, les programmes ont été paramétrés et l'amplitude des commandes de stimulation spécifiques aux articulations a été ajustée.

Une récupération de la marche… naturelle

Le BSI a permis un contrôle continu de l'activité des muscles fléchisseurs de hanche, de sorte que le participant a pu multiplier par cinq l'activité musculaire par rapport aux tentatives sans le BSI. La même configuration a été utilisée pour la marche avec des béquilles. Le participant a déclaré que la BSI lui permettait de contrôler naturellement ses mouvements pendant la marche, ce qui a été confirmé objectivement par l’analyse de la cinématique de la marche sur tapis roulant : par rapport à la stimulation seule, le BSI a permis une marche dont les caractéristiques étaient nettement plus proches de la marche normale.

Un programme de rééducation neurologique avec le BSI a entraîné une nette amélioration du contrôle volontaire des muscles fléchisseurs de hanche et de la flexion de hanche sans stimulation corrélée à des gains sensoriels et moteurs, ainsi qu’une amélioration des capacités à se tenir debout et à marcher, traduite par une augmentation des scores WISCI (Walking Index for Spinal Cord Injury) II (6 avant STIMO,16 après STIMO-BSI). La qualité de vie a été significativement améliorée en permettant au patient de marcher de manière autonome dans la maison, entrer et sortir d'une voiture ou partager une boisson avec des amis debout au bar.

Le BSI a pu être utilisé de façon indépendante à domicile : un déambulateur est équipé d'un boîtier intégré, une interface tactile permet au participant d'interagir avec le logiciel, de vérifier le positionnement du casque et ajuster les amplitudes de stimulation. La configuration du matériel et du logiciel se fait en moins de 5 min, après quoi le participant peut utiliser le BSI pour la rééducation ou les activités de la vie quotidienne. Le participant a utilisé le système régulièrement pendant 7 mois avec une augmentation des avantages perçus quantifiés par le questionnaire PIADS (Psychosocial Impact of Assistive Devices Scale).

Une nouvelle ère

Ainsi, ce pont numérique sans fil entre le cerveau et la moelle épinière a rétabli un contrôle continu, intuitif et robuste des mouvements des membres inférieurs pour se tenir debout, marcher, monter les escaliers et même traverser des terrains complexes. De plus, la rééducation a entraîné des améliorations neurologiques qui ont persisté même lorsque le BSI était éteint.

Le participant avait précédemment atteint un plateau de récupération après une rééducation intensive utilisant la stimulation médullaire seule ; on peut supposer que le BSI a déclenché une réorganisation des voies neuronales résiduelles qui relient le cerveau et la moelle dans des conditions physiologiques, responsable de la récupération neurologique supplémentaire. L'élargissement du concept à la moelle cervicale peut laisser envisager de restaurer les mouvements des membres supérieurs après une lésion médullaire ou un accident vasculaire cérébral. Cependant, la quantité relative de récupération neurologique sera nécessairement en corrélation avec la gravité de la lésion.

Plusieurs améliorations seront nécessaires : miniaturisation ; implant rachidien aux capacités de communication ultrarapides ; implants contrôlés par un seul circuit intégré de faible puissance. Même si ces développements demanderont du temps et des ressources, le concept d'un pont numérique entre le cerveau et la moelle augure d'une nouvelle ère dans le traitement des déficits moteurs dus aux troubles neurologiques.

Dr Isabelle Méresse

Référence
Lorach H, Galvez A, Spagnolo V, et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface. Nature. 2023 May 24. doi: 10.1038/s41586-023-06094-5.

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