Le Dr Patrick Ganzer parle àMa Cliniquede ses recherches révolutionnaires sur la restauration du sens du toucher à l'aide d'interfaces cerveau-ordinateur.
Sommaire
Qu'est-ce qui a provoqué vos recherches sur le sens du toucher?
J'étudie les systèmes neuronaux qui traitent le toucher depuis plusieurs années, en particulier à la suite de lésions du système nerveux.
Dans le passé, mes équipes se sont concentrées sur le développement de thérapies qui peuvent restaurer la fonction des membres supérieurs à la suite de dommages, tels qu'une blessure à la moelle épinière ou un accident vasculaire cérébral.
Le sens du toucher est essentiel pour le contrôle global des mouvements. Plus précisément, il s'agissait d'un besoin non satisfait du système actuel d'interface cerveau-ordinateur (BCI) que notre groupe développe à Battelle.
Comment le sens du toucher peut-il être endommagé?
Des voies spécifiques du système nerveux transmettent les informations tactiles de votre peau à la moelle épinière et, éventuellement, au cerveau.
Malheureusement, le participant à notre essai clinique BCI souffre d'une grave lésion médullaire. Sa main paralysée a également un sens du toucher considérablement affaibli et manque presque complètement de sensation significative. Il s'agit d'un déficit fonctionnel majeur qui altère sa capacité à fonctionner normalement.
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Pourquoi le sens du toucher est-il essentiel chez l'homme?
Beaucoup d'entre nous ont éprouvé un sens du toucher altéré, peut-être lorsque notre membre s'est endormi ou que nous sommes restés dehors trop longtemps dans le froid.
Même une petite interruption de la capacité tactile peut avoir un impact majeur sur la capacité de mouvement résultante. Les circuits de contact et de mouvement dans le système nerveux interagissent également. Nous utilisons tout le temps des signaux sensoriels et tactiles pour nous tenir droit, saisir des objets avec la force correcte, etc.
Comment avez-vous mis en œuvre un système d'interface cerveau-ordinateur dans votre recherche? Comment fonctionne ce système?
Les études passées de notre équipe ont utilisé les «pensées» du participant pour restaurer seul le mouvement de sa main paralysée.
En utilisant une petite puce implantée dans le cerveau du participant, l'interface cerveau-ordinateur (BCI) enregistrerait les pensées du participant liées à un mouvement de main prévu (par exemple, je veux saisir cette bouteille), utiliser un ordinateur pour détecter cette activité cérébrale spécifique, puis stimuler ses muscles pour faire bouger sa main de la manière souhaitée.
En utilisant le système BCI, le participant peut à nouveau bouger sa main paralysée, glisser une carte de crédit, ramasser un ensemble d'objets et de nombreuses autres fonctions motrices.
En utilisant ce système, vous avez réussi à restaurer le sens du toucher. Comment avez-vous fait cela?
Malheureusement, la main du participant est non seulement complètement paralysée, mais elle manque aussi presque complètement de sensation. C'est un problème majeur, car le sens du toucher est essentiel pour un contrôle approprié des mouvements.
Le participant a du mal à détecter le toucher général et ne peut essentiellement même pas sentir de petits objets. En raison de ce manque de sensation, la main du participant semble parfois étrangère.
Dans notre étude actuelle, nous abordons bon nombre de ces problèmes et rétablissons le sens du toucher du participant. Nous avons d'abord découvert que lorsque le participant touche des objets, un très petit «signal tactile sous-perceptuel» est généré dans le cerveau.
Autrement dit, nous avons commencé à enregistrer une faible activité tactile dans le cerveau, même si le participant ne peut pas détecter les événements tactiles. Nous avons ensuite appris à un ordinateur comment détecter ces signaux tactiles sous-perceptuels. Enfin, nous avons «amplifié» ce signal tactile sous-perceptuel dans la perception consciente, en utilisant une rétroaction vibratoire sur la peau que le participant peut ressentir.
L'amélioration du toucher subperceptuel dans la perception consciente a conduit à un éventail d'avantages pour le participant. Sa capacité à détecter le toucher a été presque entièrement restaurée. Lorsqu'il utilise le système en temps réel, ses mouvements s'accélèrent et il est capable de manipuler et de transférer des objets plus rapidement.
La perception du participant qu'il contrôle sa propre main est également améliorée, en raison de la rétroaction sensorielle artificielle.
Qu'est-ce que la rétroaction haptique?
Le retour haptique est une technologie qui peut être utilisée pour transmettre un sens du toucher – comme la vibration d'un téléphone portable ou d'un contrôleur de jeu vidéo.
Comment la recherche bénéficiera-t-elle aux personnes souffrant de lésions de la moelle épinière?
Un BCI peut être utilisé pour restaurer une fonction significative chez les personnes vivant avec une paralysie et un dysfonctionnement sensoriel suite à une lésion de la moelle épinière. Notre espoir est que ces résultats démontrent davantage le nombre de fonctions qui peuvent être restaurées chez les patients utilisant cette technologie – pas seulement le mouvement mais aussi le sens du toucher.
Le domaine de la neurotechnologie a un brillant avenir et nous espérons que ces types de systèmes pourront bientôt être utilisés dans un environnement domestique.
Quelles recherches supplémentaires faut-il effectuer avant de pouvoir les utiliser à domicile?
La création d'une version à emporter d'un système BCI présente un certain nombre de défis. Le groupe NeuroLife de Battelle s'attaque à bon nombre de ces problèmes.
Nous avons récemment rendu le «système de stimulation musculaire» miniaturisé et portable. C’est maintenant une «manche» plus esthétique qui peut être zippée autour du bras pour permettre le mouvement de la main.
Un autre jalon passionnant que nous avons accompli récemment est l’utilisation d’un «système de stimulation musculaire contrôlé par tablette informatique» au domicile du participant. Il l'a utilisé pour effectuer un certain nombre d'actions, surtout en dehors du laboratoire.
De nombreux autres défis demeurent, tels que la sécurité des appareils, la sécurité des appareils et leur longévité.
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche?
Nous sommes très enthousiasmés par l'avenir de la neurotechnologie en général, et en particulier par les BCI. Certains de nos objectifs à venir visent à développer davantage le système pour une utilisation à domicile et à appliquer la technologie de stimulation musculaire à d'autres déficiences, telles que la paralysie après un AVC.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?
En savoir plus sur ses recherches à Battelle ici!
À propos du Dr Patrick Ganzer
Le Dr Ganzer a obtenu son BS en neurosciences du King’s College en 2008, a terminé son doctorat. en génie biomédical et sciences de l'Université Drexel en 2013, et a terminé sa bourse postdoctorale à l'Université du Texas à Dallas en 2017.
Il est maintenant chercheur principal au Battelle Memorial Institute, le plus grand organisme de recherche à but non lucratif du monde situé à Columbus, Ohio.
Le Dr Ganzer travaille sur plusieurs neurotechnologies à Battelle, y compris les interfaces cerveau-ordinateur et les neurotechnologies non chirurgicales. Il est actuellement chercheur principal pour le programme de médecine bioélectronique de Battelle – une initiative de recherche et développement axée sur le développement de thérapies de médecine bioélectronique pour le traitement des maladies.
Ses recherches antérieures à l'Université du Texas à Dallas ont utilisé une stimulation ciblée du nerf vague pour amplifier les effets de la rééducation et rétablir les connexions avec les muscles paralysés dans des modèles précliniques de lésion médullaire, d'accident vasculaire cérébral et de lésion nerveuse périphérique.
Le travail du Dr Ganzer est maintenant en cours de traduction dans de multiples applications d'essais cliniques et a été rendu possible grâce à un financement de plus de 4 millions de dollars provenant d'organismes tels que la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la Wing’s for Life Foundation et le W.W. Fondation Caruth Jr..
Avec ses coéquipiers talentueux, Patrick développe de nouvelles neurotechnologies et des médicaments bioélectroniques pour traiter les patients souffrant de dysfonctionnements et de maladies.