Une interface Cerveau-Moelle Epinière pour restaurer la mobilité des patients blessés médullaires – THINK2MOVE

Le but de ce projet collaboratif entre le CEA Clinatec et les équipes du CHUV/EPFL est de rendre plus accessible l'utilisation de neuroprothèses pour la restauration de la marche. Nous nous sommes donc appuyés sur l'essai clinique approuvé STIMO-BSI pour mettre en œuvre de nouveaux concepts pour augmenter le degré de contrôle volontaire autorisé par le système BSI et explorer le codage neuronal sensori-moteur lors des phases d’apprentissage. En parallèle, nous avons développé un système portable BSI permettant au participant de l’utiliser en dehors d'un milieu hospitalier, où les participants ont pu évaluer les opportunités et les contraintes de l’utilisation de ce système dans leur vie de tous les jours.

Ainsi, pour atteindre ces objectifs, les développements se sont concentrés sur :

- Le développement d'une procédure d'exploration des stimulations possibles optimisée par des méthodes de machine learning. Elle permet de sélectionner les paramètres de la stimulation de la moelle épinière de manière optimale (localisation de la stimulation, intensité, durée, etc.), pour chaque type de mouvement voulu.

- L'amélioration des performances de décodage de l'intention de mouvements par de nouvelles approches algorithmiques. De plus, la capacité des décodeurs à apprendre de l'amélioration des patients à contrôler la neuroprothèse a été étudiée. Cela passe notamment par une meilleure compréhension des mécanismes d'apprentissage et d'adaptation à la complexité des tâches demandées.

- L'amélioration de la portabilité du système par l'optimisation de briques technologiques (matérielles et logicielles), afin de rendre le système aussi léger et facile d'utilisation que possible, pour permettre l'utilisation à domicile, hors d'un environnement clinique.

Le projet THINK2MOVE a permis de démontrer, en essai clinique, l’efficacité d’algorithmes basés sur de l’intelligence artificielle afin d’optimiser les paramètres de la stimulation appliquée au niveau de la moelle épinière. Les approches développées ont permis d'obtenir des paramètres de stimulation équivalents (voire surpassant) à ceux choisis par un expert, en un temps significativement plus court (seulement 1h30 dans le pire des cas).

Les performances de décodage ont aussi été améliorées, permettant un décodage à la fois plus réactif lorsque le patient essaie de démarrer un mouvement, mais aussi plus robuste (moins d'activations intempestives de la stimulation).

Finalement, le système a été optimisé pour être plus facile d'utilisation et entièrement portable, pour entrer dans un sac à dos ou être intégré sur un déambulateur. Le système portable est maintenant utilisé par les patients à domicile, hors du cadre contrôlé de l'environnement clinique.

Ces résultats ont permis en particulier une publication majeure dans la revue Nature (Lorach et al., Nature 2023), ainsi le dépôt de plusieurs brevets.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet Think2Move sont très prometteurs pour l’avenir des interface cerveau-moelle, et vont servir de base à la continuation des essais cliniques basés sur la stimulation épidurale contrôlée par un système d’interface cerveau-machine, pour d’autres patients paraplégiques, mais aussi pour des patients tétraplégiques, pour le contrôle du membre supérieur. A ce jour, deux essais cliniques ont déjà démarré, avec l'implantation de deux patients paraplégiques (essai clinique Think2Go) et deux patients tétraplégiques (essai clinique UP2).

Un accord de transfert de la technologie développée dans le cadre du projet Think2Move a été signé entre le CEA et l'industriel ONWARD Medical. Il permettra le passage vers un essai clinique de plus grande ampleur, multi-centrique, et, à terme, une neuroprothèse utilisable par un plus grand nombre de patients.

Problématique: Près de 500 000 personnes souffrent chaque année d'une lésion de la moelle épinière (ou SCI : Spinal Cord Injury), avec des coûts humains, sociétaux et économiques dramatiques. Dans les cas les plus graves, la SCI conduit à une paralysie complète des deux jambes, ce qui impose aux patients de rester dans un fauteuil roulant pour le reste de leur vie, sans perspective de traitement.

Solution actuelle: Les avancées récentes dans le domaine des neuroprothèses ont ouvert des perspectives pour atténuer certains déficits moteurs associés aux SCI. Par exemple, nous avons montré que l'application d'une stimulation électrique épidurale sur la moelle épinière lombo-sacrée restaurait la capacité à se tenir debout, à marcher, pédaler et même nager chez les patients atteints d'une SCI complète, grâce à des séquences spatiale et temporelle en temps-réel.

Limitations: La détection de l’intention est critique afin de synchroniser la stimulation avec les mouvements souhaités. Par le passé, nous avons utilisé des capteurs inertiels pour détecter ces intentions dans les mouvements résiduels. Cette approche est suffisante pour détecter les mouvements volontaires simples, mais elle ne permet pas d'anticiper des séquences de mouvements complexes naturelles. Un contrôle moteur naturel ne peut pas être réalisé uniquement avec des capteurs externes qui apporteraient un contrôle artificiel des mouvements.

Solution: Nous avons précédemment développé une interface cerveau – moelle épinière (ou BSI – Brain-Spine Interface) qui relie les intentions motrices décodées à partir de l'activité du cortex moteur au contrôle de la stimulation électrique des racines dorsales de la moelle épinière. Cette interface BSI a permis de rétablir immédiatement le contrôle volontaire de la marche d’un modèle préclinique (primate non-humain) de paralysie des jambes, et a également permis d’augmenter la neuroplasticité et la récupération fonctionnelle lorsqu'elle était combinée avec la rééducation de la marche chez le rat. Ici, notre but est de développer et tester cette interface BSI chez l’homme.
Nous avons développé le dispositif totalement implantable WIMAGINE qui permet un enregistrement à long terme de l'activité électrique du cortex moteur chez l'homme. Ce système a permis à deux personnes tétraplégiques de contrôler un exosquelette 4-membres grâce à la mesure et au décodage de leur intention motrice.
Nous avons interfacé le dispositif WIMAGINE à un neurostimulateur implantable pour le contrôle en temps réel de la stimulation électrique épidurale, établissant ainsi la première BSI entièrement implantable chez l’homme. Nous avons obtenu l'approbation du Comité d'Ethique Suisse (CER-VD2020-01814) pour implanter cette interface chez trois patients atteints de paralysie chronique. Dans cette étude, nous allons explorer la sécurité et l'efficacité préliminaire de cette BSI pour restaurer le mouvement volontaire et la mobilité, et pour augmenter la récupération neurologique après réhabilitation.
Dans ce projet collaboratif entre le CEA Clinatec et les équipes du CHUV/EPFL, nous proposons de nous appuyer sur l'essai clinique approuvé STIMO-BSI et de mettre en œuvre de nouveaux concepts pour augmenter le degré de contrôle volontaire autorisé par le système BSI et explorer le codage neuronal sensori-moteur lors des phases d’apprentissage. En parallèle, nous développerons un système portable BSI qui permettra au participant de l’utiliser en dehors d'un milieu hospitalier où les participants testeront les opportunités et les contraintes de l’utilisation de ce système dans leur vie de tous les jours.

Impact: Ce projet représente l'opportunité unique de rassembler des équipes hautement synergiques d'ingénieurs, de scientifiques et de cliniciens en France et en Suisse afin de combiner des technologies de pointe dans un système permettant de restaurer le contrôle volontaire des mouvements des jambes chez les patients atteints de paralysie chronique.