Une nouvelle approche de l'amputation des membres supérieurs pour augmenter le contrôle volitionnel et restaurer la proprioception

L'amputation des membres supérieurs est l'une des plus anciennes procédures chirurgicales connues de l'histoire médicale, nombre de ses principes techniques ayant été élucidés pour la première fois par Hippocrate. Malgré le passage de plus de deux millénaires, relativement peu de choses ont changé dans l'approche opératoire du sacrifice du membre supérieur. On estime que 58 000 patients aux États-Unis souffrent actuellement d'une perte de membre du membre supérieur au niveau au-dessus du coude (AEA) ou au-dessous du coude (BEA), et la prévalence de l'amputation du membre supérieur devrait atteindre environ 95 000 patients d'ici 2050.

La fonction normale du membre supérieur est rendue possible grâce à l'interaction dynamique de plusieurs groupes musculaires agissant de concert. La dextérité manuelle est un processus biomécanique remarquablement orchestré qui dépend d'une boucle de rétroaction complexe impliquant les systèmes nerveux central et périphérique et le système musculo-squelettique. Dans leur état natif, les muscles du membre supérieur existent dans une situation équilibrée agoniste/antagoniste dans laquelle l'activation volontaire d'un muscle conduit non seulement à sa contracture, mais également à l'étirement passif de son opposé. Les changements de tension musculaire se manifestent par cette interaction des unités agonistes et antagonistes conduisent à la stimulation de récepteurs spécialisés dans les fibres musculaires (par exemple, les fibres du fuseau musculaire et les organes tendineux de Golgi) qui transmettent des informations sur la position des articulations au cortex cérébral. Une telle rétroaction, en conjonction avec les informations sensorielles cutanées des mécanorécepteurs cutanés, nous fournit un sens de la proprioception des membres qui permet finalement un contrôle des membres haute fidélité, même en l'absence de rétroaction visuelle.

Malheureusement, l'approche opératoire standard de l'amputation du membre supérieur au niveau AEA ou BEA annule bon nombre des relations dynamiques caractéristiques du membre supérieur indemne. L'exposition chirurgicale initiale est généralement réalisée par une incision en forme de bouche de poisson, suivie d'une section progressive des muscles, des vaisseaux, des nerfs et des os au niveau de l'incision. Les tissus distaux au site de section structurelle sont éliminés, qu'il y ait ou non des segments viables, et les muscles résiduels proximaux sont superposés sur l'os sectionné distal afin d'isoler cette surface osseuse exposée. La peau environnante est ensuite avancée sur la construction os/muscle afin d'obtenir une fermeture définitive. L'approximation rudimentaire des tissus discordants dans le membre distal dans cette approche entraîne une masse cicatricielle désorganisée dans laquelle les relations musculaires dynamiques normales sont détruites. Le découplage des appariements musculaires agonistes / antagonistes natifs entraîne une contraction isométrique des groupes musculaires résiduels lors de l'activation volontaire, produisant une rétroaction neuronale incomplète et déséquilibrée vers le cerveau qui entraîne une perception aberrante de la position du membre résiduel. Une telle rétroaction perturbée conduit non seulement à une altération de la fonction des membres avec des prothèses, mais se manifeste également par une perception sensorielle pathologique de l'extrémité sous la forme de membres fantômes et de symptômes de douleur fantôme.

À ce jour, les limites de ces approches ont été tolérées en raison de l'objectif assez simpliste de l'amputation du membre supérieur : fournir une surface stable et rembourrée pour le montage d'une prothèse. Historiquement, les prothèses des membres supérieurs ont permis aux amputés de récupérer au moins une certaine mesure de la fonction des membres supérieurs. Cependant, ces dispositifs n'ont généralement pas été en mesure de récapituler la biomécanique complexe du membre supérieur humain en raison des amplitudes de mouvement limitées et du manque de contrôle par rétroaction. Ces limitations ont entraîné des taux de rejet de prothèses de membres supérieurs rapportés allant de 23 % à 45 %, y compris les appareils à propulsion corporelle et myoélectriques.

Cependant, les capacités des prothèses modernes se développent maintenant de manière remarquable. Les avancées technologiques, notamment l'électronique de plus en plus miniaturisée, les communications sans fil et les capteurs de position toujours plus perfectionnés, ont permis aux développeurs de prothèses de créer des membres bioniques de nouvelle génération avec des degrés de liberté considérablement améliorés par rapport aux modèles précédents. Des prothèses encore plus avancées sont actuellement en cours de développement et ont le potentiel d'offrir une rétroaction sensorielle - à la fois tactile et positionnelle - d'une manière jamais vue auparavant. De tels dispositifs prothétiques, bien qu'ils ne soient pas encore disponibles dans le commerce, sont actuellement à l'étude dans des contextes expérimentaux. Par exemple, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a récemment lancé un appel d'offres dans le cadre du programme Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) incorporant une prothèse de membre supérieur comprenant six degrés de liberté au niveau du poignet, du pouce et de tous les doigts, 10 des capteurs de pression capables de fournir une rétroaction sensorielle, et des capteurs d'angle et de vitesse d'articulation capables de fournir des données de position d'articulation.

Malgré ces avancées technologiques dans le développement de prothèses, les méthodes chirurgicales concernant la gestion du membre résiduel n'ont pas suivi le rythme de ces capacités de prothèse améliorées. Les techniques classiques d'amputation du membre supérieur ne fournissent pas d'interfaces innervées pouvant servir de relais pour un contrôle prothétique complexe ; sans de tels actionneurs biologiques dans le membre résiduel pour fournir des conduits afférents et efférents pour l'échange d'informations, les prothèses de nouvelle génération sont de peu d'utilité. En d'autres termes, les prothèses de nouvelle génération intègrent actuellement des pilotes et des capteurs capables de fournir des fonctionnalités bien plus améliorées que jamais auparavant, mais les approches standard de l'amputation des membres ne permettent pas de relier efficacement ces prothèses à leurs bénéficiaires prévus. Une évolution dans la manière dont les amputations du membre supérieur sont réalisées - une évolution qui fournira une interface biologique qui permettra aux amputés du membre supérieur de profiter des capacités améliorées offertes par les prothèses remarquables actuellement en cours de développement - est désormais nécessaire.

La reconnaissance du besoin accru d'interfaces neurales efficaces pour les membres prothétiques peut être vue dans le nombre croissant d'efforts dans ce domaine au cours de la dernière décennie. Les efforts initiaux pour fournir un contrôle à haute résolution des prothèses distales se sont concentrés principalement sur les interfaces cérébrales indirectes et directes, soit par le placement de capteurs électroencéphalographiques du cuir chevelu ou d'électrodes parenchymateuses implantables, respectivement. Cependant, ces efforts ont été en proie à une mauvaise résolution, à des incohérences dans l'acquisition du signal et, dans le cas de dispositifs implantables, à des réactions progressives de corps étrangers conduisant à une dégradation des impulsions au fil du temps.

Alors que les limites des interfaces cérébrales sont devenues plus évidentes, l'attention s'est plutôt déplacée vers les locus de contrôle périphériques. Les efforts dans cette veine ont inclus des interfaces nerveuses périphériques directes comprenant des tamis et des manchettes interposés conçus pour transduire des signaux électriques directement des fascicules nerveux individuels aux prothèses distales. De tels moniteurs ont cependant montré peu de promesses cliniques en raison de la compression nerveuse progressive secondaire à la cicatrisation, ainsi que de l'interférence neurologique importante et de l'interférence dans les modèles biologiques.

Les efforts les plus prometteurs concernant le développement de l'interface nerveuse périphérique sont maintenant dans le domaine des systèmes biologiques. Ces modèles consistent en des configurations dans lesquelles les tissus natifs sont innervés avec des terminaisons nerveuses distales pour créer des actionneurs biologiques pour le contrôle et la rétroaction de la prothèse distale. Les deux modèles phares dans ce domaine sont les suivants :

• Réinnervation musculaire ciblée (TMR) : mise au point par Dumanian et Kuiken et al, la RTM est une technique dans laquelle une série de transferts nerveux est utilisée pour réinnerver des muscles cibles spécifiques afin de créer des sites de contrôle de prothèse supplémentaires après l'amputation distale d'un membre.
• Interfaces nerveuses périphériques régénératives (RPNI) : défendue par Cederna et al, la RPNI offre une version alternative d'une interface biologique innervée. Un RPNI est une construction chirurgicale qui consiste en un segment de muscle non vascularisé qui est coapté à une terminaison nerveuse motrice ou sensorielle distale.

Alors que les TMR et les RPNI se sont révélés prometteurs en offrant une fonctionnalité améliorée aux patients qui ont déjà subi une amputation, aucune des deux techniques n'a été intégrée dans une refonte fondamentale de la manière dont les amputations sont effectuées en premier lieu ; dans tous les cas de mise en œuvre clinique de TMR ou RPNI rapportés à ce jour dans la littérature, ces techniques ont été employées pour optimiser davantage la fonctionnalité des patients ayant déjà subi une perte de membre.

Le protocole clinique propose une réinvention de la manière dont les amputations du membre supérieur sont réalisées, en s'appuyant sur plusieurs des principes établis dans les travaux déjà réalisés dans le domaine de la RTM et des RPNI. Comme expliqué ci-dessous, l'innovation centrale est l'utilisation des tissus des membres distaux qui seraient normalement sacrifiés au cours d'amputations standard des membres inférieurs pour fournir le substrat pour des paires nativement innervées de muscles agonistes/antagonistes capables non seulement d'activation motrice intuitive et volitionnelle, mais aussi également une rétroaction proprioceptive. Conceptuellement, cette idée consiste en une liaison physique de muscles biologiquement opposés (par exemple, le biceps et le triceps) de sorte que lorsque la contraction déclenchée neurologiquement d'un muscle est effectuée, un étirement simultané de son partenaire est également obtenu, entraînant un mouvement observable de la dyade et une stimulation. des voies proprioceptives classiques. Les chercheurs ont nommé cette construction l'interface myoneurale agoniste-antagoniste (AMI).

La manière dont ce concept dynamique de muscle agoniste/antagoniste peut être opérationnalisé cliniquement dépend de la présence ou non de muscles natifs intacts, innervés et vascularisés au moment de l'intervention chirurgicale. Au cours des cinq dernières années, le groupe de recherche a développé des modèles expérimentaux pour une variété de scénarios cliniques à travers une série d'investigations précliniques dans les populations murines et caprines.

Si un muscle natif sain est disponible comme substrat de reconstruction, la coaptation des extrémités distales de paires agonistes/antagonistes désinsérées peut être incorporée dans la conception du membre résiduel ; lorsqu'il est couplé à un canal synovial natif comme interface de glissement, un système semblable à une poulie peut être établi pour fournir une construction musculaire dynamique. La construction d'AMI dans un modèle de rat a démontré la préservation de la masse musculaire de construction, la viabilité dans le temps et la production de signaux afférents gradués en réponse aux étirements de rampe et de maintien d'une manière similaire à l'architecture musculaire native. De plus, la réalisation d'une amputation au niveau transtibial avec incorporation de la construction AMI dans un modèle de chèvre a démontré un mouvement couplé clair de la paire agoniste-antagoniste en présence à la fois de commandes neurales naturelles et de stimulation musculaire artificielle.

Sur la base de ces études animales de preuve de concept, les chercheurs émettent l'hypothèse que l'AMI offre le potentiel de fournir un relais biologique pour le contrôle volitionnel qui est supérieur aux autres stratégies d'interface neurale, avec l'avantage supplémentaire de pouvoir restaurer la proprioception des membres. Lorsqu'il est couplé à une prothèse de nouvelle génération adaptée de manière appropriée, l'AMI peut ainsi fournir le premier mécanisme biologique permettant d'obtenir une véritable interactivité neuronale en boucle fermée avec un membre mécanique.

Les chercheurs proposent ici une évaluation prospective contrôlée sur trois ans des avantages fonctionnels et somatosensoriels du modèle d'amputation modifié dans un scénario de membre supérieur. Les chercheurs pensent que ce modèle a le potentiel de fournir aux amputés des membres supérieurs une interface biologique qui offre non seulement un contrôle moteur sans précédent et à haute résolution des prothèses, mais qui est également très intuitive et capable de restaurer la proprioception des membres. Si elles se manifestent, ces capacités accrues peuvent entraîner une fonctionnalité améliorée et des résultats de santé globaux, y compris un statut de retour au travail plus robuste et une diminution de la tension psychologique.