Interface dopamine et cerveau-ordinateur (BCI_LDOPA)

Les objectifs du présent projet de recherche sont d'évaluer l'effet de la modulation dopaminergique sur les performances du BCI chez des sujets âgés en bonne santé pour comprendre les mécanismes neurophysiologiques sous-jacents. La perspective réside dans l’application de cette approche pour améliorer la récupération motrice après un AVC.

L’accident vasculaire cérébral est l’une des causes les plus courantes de déficience de la fonction motrice, et sa prévalence devrait augmenter en raison du vieillissement de la population. Les survivants d'un AVC connaissent souvent un certain niveau de récupération spontanée de la fonction motrice pendant la phase aiguë et atteignent un plateau fonctionnel après lequel la récupération est généralement lente ou stagnante. Il est intéressant de noter que de nouvelles preuves indiquent que les thérapies basées sur l’interface cerveau-ordinateur (BCI) peuvent induire une récupération au-delà de ce plateau.

L’IRM pharmacologique (phMRI) est une méthode nouvelle et prometteuse pour étudier les effets de substances sur la fonction cérébrale qui peut à terme être utilisée pour élucider les mécanismes neurobiologiques sous-jacents à l’action des médicaments. Comme la plupart des méthodes d'imagerie, elle représente un progrès dans l'étude des troubles cérébraux et de la fonction associée des voies des neurotransmetteurs, de manière non invasive, en ce qui concerne la connectivité neuronale globale.

De plus, il constitue un outil idéal pour la traduction en investigations cliniques. L'IRM, bien qu'encore en retard dans les stratégies d'imagerie moléculaire par rapport à la TEP et à la SPECT, présente l'avantage d'avoir une haute résolution spatiale et de ne pas nécessiter l'injection d'un agent de contraste ou de molécules radiomarquées, évitant ainsi l'exposition répétitive aux rayonnements ionisants. L'IRM fonctionnelle (IRMf) est largement utilisée en recherche et en clinique, où elle est généralement associée à une tâche psychomotrice. L'IRMph est une adaptation de l'IRMf permettant d'étudier un système de neurotransmetteur spécifique, tel que la dopamine, dans des conditions physiologiques ou pathologiques après activation via l'administration d'un médicament spécifique.

L’importance du neurotransmetteur dopamine (DA) pour les processus moteurs est connue depuis longtemps. Chez les patients souffrant de la maladie de Parkinson, le déficit en dopamine dans les noyaux gris centraux est connu pour provoquer de forts déficits liés au mouvement.

Des études récentes suggèrent que l'AD stimule les structures neuronales, qui à leur tour affectent de vastes régions du cerveau, et contribuent ainsi à divers processus de contrôle comportemental : à la fois les processus moteurs de contrôle du mouvement et les processus cognitifs dans le contexte de la catégorisation perceptuelle, de la récompense, de la motivation et du contrôle exécutif. . Pour cette raison, DA est également appelé « signal d’apprentissage ».

De nouvelles preuves montrent que l'AD peut également être efficace pour élaborer de nouvelles stratégies de réadaptation après un AVC. Pour qu'une stratégie de rééducation soit efficace, elle doit aboutir à la formation de nouvelles mémoires motrices, anatomiquement médiées par des réseaux qui relient le cortex préfrontal dorsolatéral, le cortex moteur primaire, le striatum et le cervelet. De nouvelles mémoires motrices sont formées et élaguées par les processus de plasticité synaptique tels que LTP et LTD, qui nécessitent une signalisation dopaminergique entre la substance noire pars compacta et les neurones épineux du milieu striatal dans le putamen. Dans les boucles motrices des noyaux gris centraux, la liaison dopaminergique aux D1R facilite les mouvements souhaités, tandis que la liaison aux D2R inhibe les mouvements indésirables.

En plus de son rôle dans la motricité au sein des noyaux gris centraux, le système dopaminergique potentialise également l'intégration visuomotrice, qui est la coordination des informations perceptuelles et liées à l'action. Au niveau des récepteurs, les D1R sont essentiels à une bonne intégration visuomotrice. Ce système est important pour relier les informations environnementales visualisées à la position du corps, permettant ainsi une planification et une correction optimales des mouvements. Par conséquent, potentialiser la coordination de la motricité et de l’intégration visuomotrice grâce à la thérapie dopaminergique peut améliorer la récupération après un AVC.

Il a été démontré que les médicaments qui augmentent la disponibilité des neurotransmetteurs du système nerveux central (dopamine, noradrénaline, sérotonine et acétylcholine) exercent un effet facilitateur sur la neuroplasticité. Dans cette optique, les chercheurs ont étudié les effets des amphétamines, des inhibiteurs sélectifs du recaptage de la sérotonine, du donépézil, des psychostimulants tels que le méthylphénidate et des agents dopaminergiques sur la récupération motrice après un accident vasculaire cérébral. Parmi les médicaments susmentionnés, il a été démontré que seule la lévodopa améliore l'induction d'une plasticité de type LTP, d'une plasticité dépendante de la pratique et d'une récupération motrice après un accident vasculaire cérébral chez les sujets humains. De plus, la lévodopa présente un profil d’effets secondaires sans danger et n’est pas une substance contrôlée.

L’effet secondaire le plus courant de la lévodopa est la dyskinésie, suivie de nausées, puis d’hallucinations et d’étourdissements. En outre, il existe un certain risque de dyskinésie induite par la lévodopa chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. Cependant, ces effets secondaires graves surviennent généralement après une prise à long terme (c'est-à-dire des années) du médicament. De plus, on estime que le risque chez les patients souffrant d’autres pathologies, comme un accident vasculaire cérébral, est beaucoup plus faible. En fait, la lévodopa a été utilisée dans de nombreuses études axées sur la récupération motrice chez les survivants d’un AVC sans aucun rapport de dyskinésie ni d’autres effets secondaires mineurs ou majeurs. "La littérature" conclut qu'il est peu probable que le traitement des survivants d'un AVC avec de la lévodopa provoque une dyskinésie induite par la lévodopa, à moins qu'il n'y ait des lésions comorbides des noyaux gris centraux ou la maladie de Parkinson.

La base du fonctionnement des BCI est la traduction de l'activité neuronale directement enregistrée par le sujet en retour en temps réel afin de former des modèles d'activation cérébrale cohérents associés à des états mentaux spécifiques. L'activité neuronale peut être détectée par des méthodes invasives (ECoG/iEEG) ou non invasives (EEG, MEG, IRMf en temps réel ou NIRS). La majorité des études utilisent des BCI non invasifs basés sur l'EEG, car ils sont relativement faciles et rapides à utiliser et possèdent de bonnes caractéristiques temporelles et spatiales. Ils peuvent donc être utilisés de manière sûre et efficace pour obtenir des gains fonctionnels chez les survivants d'un AVC présentant des déficits moteurs persistants et peuvent améliorer l'efficacité des thérapies concomitantes ou associées, même après que les individus ont atteint un plateau fonctionnel grâce aux thérapies traditionnelles.

Actuellement, la majorité des BCI ciblant la restauration de la fonction motrice sont basées sur l'imagerie motrice (IM). De tels systèmes ne dépendent pas de mouvements réels, mais utilisent plutôt le processus mental d'imagination d'un mouvement. La raison principale est que l’IM conduit à l’activation des mêmes zones cérébrales que le mouvement réel. Les problèmes qui surviennent avec l'imagerie motrice sans aucun retour sont le manque de contrôle de l'activité ainsi que le manque de motivation. Grâce à un BCI, l'imagerie motrice peut être mesurée en temps réel, permettant ainsi de fournir un retour d'information en temps réel au sujet. De plus, le couplage des appareils BCI avec la stimulation électrique fonctionnelle (FES) déclenchée par MI permet la resynchronisation de l'activation corticale, de l'activation périphérique et du retour sensoriel. En plus de cela, certaines études ont plaidé en faveur de l’inclusion de la réalité virtuelle pour un retour visuel immédiat. La combinaison de l'observation d'action basée sur la réalité virtuelle et du retour FES peut potentialiser l'amélioration de la fonction motrice à mesure que les sujets interagissent avec l'avatar à l'écran en temps réel. Ainsi, il est possible de fermer le circuit : l'imagerie motrice est détectée par le système, et le FES est appliqué sur le muscle ciblé pour aider le participant à réaliser le mouvement. Dans le même temps, un avatar effectue exactement le même mouvement (en synchronisation avec FES), qui s'affiche en temps réel sur l'écran du participant. Ainsi, en plus d'effectuer le mouvement physique qui contribue au succès de la thérapie, les zones du cortex sensoriel sont également activées de manière synchrone avec l'imagerie motrice via les influx nerveux afférents. Cela conduit à la stimulation de la plasticité hebbienne, selon laquelle les neurones stimulés ensemble de manière répétée créent des connexions communes. On pense que cela induit une plasticité dépendante de l’utilisation et facilite la récupération fonctionnelle. Un tel renforcement des connexions centrales-périphériques via des technologies complémentaires a le potentiel d'améliorer la récupération de la fonction motrice grâce à une plasticité induite dépendante de l'utilisation et de faciliter la récupération fonctionnelle post-AVC.

Il existe des preuves de changements dans l'activation cérébrale et la connectivité fonctionnelle (FC) chez les patients victimes d'un AVC recevant des thérapies de réadaptation basées sur le BCI. Ils peuvent potentiellement entraîner une augmentation de la FC entre le lobe pariétal inférieur et l’aire motrice supplémentaire (SMA), ainsi qu’entre le cortex cingulaire antérieur et la SMA, positivement corrélée aux gains des scores de Fugl-Meyer. De plus, des augmentations de FC ont été observées entre le thalamus ipsilésionnel et le cingulaire contralésionnel, le lobule paracentral controlatéral et le précuneus bilatéral.