Imagerie sensorimotrice pour les interfaces cerveau-ordinateur

CONTEXTE: Une compréhension avancée de la structure et de la fonction cérébrales a amélioré le diagnostic et le traitement des troubles neurologiques tels que l'épilepsie, les accidents vasculaires cérébraux et les lésions de la moelle épinière (SCI). Il y a plus d'un demi-siècle, les études pionnières de Penfield utilisaient la stimulation électrique des zones motrices et sensorielles du cortex cérébral et révélaient une organisation somatotopique distincte du cerveau. Aujourd'hui, cette connaissance et d'autres connaissances sur les fonctions de codage neuronal sont utilisées pour développer des dispositifs révolutionnaires qui s'interfacent directement avec les neurones moteurs et sensoriels du cerveau pour établir des connexions fonctionnelles avec les dispositifs prothétiques et d'assistance. Ces soi-disant interfaces cerveau-ordinateur (BCI) nécessitent que les électrodes soient placées précisément dans les zones cérébrales responsables du contrôle volitionnel et de la sensation des mouvements des membres, en particulier les régions des bras et des mains. Cartographier ces régions du cerveau est possible en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cependant, de telles études cartographiques sont difficiles à réaliser chez les personnes présentant des déficiences motrices et sensorielles. Les personnes atteintes de SLA et de SCI ont perturbé les voies efférentes et afférentes entre le cortex et les membres, ce qui rend nécessaire de s'appuyer sur des techniques secrètes, telles que l'imagerie motrice kinesthésique, pour cartographier l'activité cérébrale sensorimotrice afin de guider le placement des électrodes BCI ou d'étudier la plasticité corticale résultant d'une blessure ou d'une intervention. Les défis associés à la cartographie cérébrale après une blessure contribuent probablement aux rapports très variés concernant l'étendue et la prévalence de la réorganisation fonctionnelle survenant dans le cerveau après une lésion médullaire. L'IRMf est un outil non invasif qui permet de mesurer l'activité cérébrale motrice et sensorielle avec un risque minimal pour les participants à l'étude.

SIGNIFICATION : La restauration de la fonction des membres supérieurs est une priorité absolue pour les personnes tétraplégiques. On estime que 236 000 à 327 000 personnes aux États-Unis ont une lésion de la moelle épinière. Environ 17% des personnes atteintes de SCI ont une tétraplégie élevée (blessure aux niveaux cervicaux C1-C4) bien que ce pourcentage ait augmenté ces dernières années. Les personnes atteintes de tétraplégie élevée sont le groupe le plus susceptible de bénéficier de neuroprothèses contrôlées par BCI, bien que les stratégies de cartographie secrète développées dans cette proposition puissent être utilisées pour étudier l'activation et la plasticité sensorimotrices chez toute personne présentant une déficience motrice ou sensorielle, y compris une amputation. Des prothèses sophistiquées et motorisées sont en cours de développement qui permettent un mouvement naturel des membres supérieurs et ont des capacités de détection avancées. Les personnes tétraplégiques aimeraient restaurer la fonction de leurs propres membres à l'aide de la FES, mais cette technologie doit encore progresser et ne remplace pas la sensation, qui peut encore nécessiter un BCI. Alors que la recherche et le développement du FES se poursuivent, les personnes tétraplégiques pourraient tirer parti des prothèses motorisées en les montant sur leur fauteuil roulant. Les prothèses motorisées peuvent fournir une fonction comparable à celle d'un membre intact, mais une interface de contrôle à haut degré de liberté est nécessaire et la BCI est une solution possible.

La neuroimagerie fonctionnelle peut être utilisée pour guider le placement des électrodes BCI afin de puiser dans les circuits sensorimoteurs existants. La cartographie cérébrale basée sur l'imagerie permet également l'étude de la plasticité corticale qui pourrait être utile pour comprendre les changements corticaux inadaptés qui se produisent après une blessure ou des changements bénéfiques résultant d'interventions de réadaptation. Tout comme la cartographie cérébrale pré-chirurgicale peut aider à identifier les personnes les mieux adaptées pour une BCI, la cartographie cérébrale secrète chez une personne atteinte de déficiences motrices et sensorielles peut éclairer le type de paradigme de réadaptation le plus susceptible d'avoir un avantage. L'avantage potentiel de pouvoir étudier la plasticité corticale en l'absence de mouvement ou de sensation est vaste car il pourrait être appliqué aux patients atteints de SCI, d'amputation, d'accident vasculaire cérébral, de maladies neurodégénératives comme la sclérose latérale amyotrophique ou d'autres déficiences sensorimotrices.