Exosquelette et activité cérébrale avec fNIRS (ExoNIRS)

Un objectif important des neurosciences des systèmes moteurs est de caractériser comment l'activité neuronale dans le cerveau médie les paramètres de mouvement tels que la force, la vitesse, la fréquence du mouvement ou la direction du mouvement. Le codage neuronal de la force a été étudié chez l'animal et l'homme par TEP , IRMf , spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS), EEG ou stimulation magnétique.

Des études électrophysiologiques chez des primates non humains ont démontré une corrélation entre les taux de décharge neuronale dans plusieurs régions du cortex moteur controlatéral et l'amplitude de la force exercée.

Chez l'homme, des études d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont confirmé la relation entre l'augmentation de l'activation neuronale et l'augmentation de l'amplitude de la force dans les cortex moteur/somatosensoriel primaire controlatéral (M1/S1), l'aire motrice supplémentaire (SMA) et le cortex prémoteur. Le cortex moteur ipsilatéral pourrait également contribuer au codage de la force. Il existe également des preuves que la boucle ganglions de la base-thalamo-corticale participe à la régulation du contrôle de la force. La partie interne du globus pallidus (GPi) et du noyau sous-thalamique (STN) présentait une augmentation positive du pourcentage de changement de signal avec une force croissante, et les régions thalamiques ventrales étaient également impliquées de la même manière. Plus récemment, des études avec fNIRS ont confirmé la relation entre le niveau de force et l'activation cérébrale dans l'hémisphère controlatéral et ipsilatéral.

La plupart des études humaines concernaient des tâches statiques isométriques. Seules quelques études ont considéré les mouvements dynamiques. En règle générale, le traitement des changements de force transitoires répétitifs nécessite plus d'activité métabolique que la génération et le contrôle d'une force statique. Il existe une corrélation entre le niveau de force et les modifications corticales au sein du réseau neuronal dans le M1 controlatéral et le cervelet antérieur.

La plupart des études concernent le membre supérieur. A notre connaissance les seuls étudiés concernent le membre inférieur dans un niveau de force isométrique. L'un concerne les corrélats neuronaux du contrôle du couple du quadriceps chez les patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive et l'autre concerne les contractions isométriques avec le dorsiflexeur de la cheville chez les témoins sains.

L'IRMf et la TEP sont très sensibles aux artefacts de mouvement et ne conviennent pas aux articulations proximales dynamiques ou aux études de la marche. Le fNIRS est moins sensible aux artefacts de mouvement et a permis de nombreuses études sur la marche dans des conditions plus naturelles chez des témoins ou des patients. L'IRMf et le fNIRS sont basés sur les principes physiologiques du couplage neurovasculaire, le processus par lequel les régions cérébrales actives induisent une augmentation locale du flux sanguin pour répondre à leurs besoins énergétiques via la dilatation des capillaires et des artérioles. L'IRMf mesure la réponse dépendante du niveau d'oxygène dans le sang (BOLD) correspondant au rapport de l'oxy à la désoxy-hémoglobine. Cependant, les deux fractions de l'hémoglobine ne sont pas mesurées individuellement avec l'IRMf. Au contraire, fNIRS mesure les deux espèces d'hémoglobine séparément. Lors de ce couplage neurovasculaire, la quantité d'oxygène apportée est typiquement supérieure à celle consommée localement, entraînant une augmentation substantielle de l'HbO2 et une légère diminution de l'HbR dans la région.

De nombreuses études fNIRS sur la marche ont enregistré des variations hémodynamiques dans le cortex préfrontal avec le paradigme des tâches doubles. Seules quelques études concernaient le cortex moteur.

Ces dernières années, la rééducation assistée par robot a été utilisée en plus de la rééducation conventionnelle. Il offre des possibilités de prise en charge précoce, intensive et spécifique à une tâche avec une stimulation multisensorielle considérée comme la plus efficace pour favoriser la neuroplasticité. La littérature suggère que la rééducation robotique augmente la capacité de marche des patients, la vitesse de marche, la force musculaire des membres inférieurs, la longueur des pas et la symétrie de la marche. Cependant, les bases neurophysiologiques de la rééducation assistée par robot restent mal connues. L'utilisation d'un exosquelette permet de contrôler le pourcentage d'aide apporté. Dans cette étude chez des sujets sains, les chercheurs proposent d'étudier l'activation cérébrale dans les régions motrices lors de la marche dans un exosquelette. Quatre niveaux de force sont étudiés : aide totale (A100%), aide partielle (A50%), aucune aide (A0%) et résistance de 25 % (R25%) à la marche depuis l'exosquelette. Les enquêteurs émettent l'hypothèse que le niveau d'activation cérébrale mesuré par fNIRS augmentera avec l'effort fourni par les sujets.