Dossier
Texte: Yann Bernadinelli
Photo: Microscape / Science Photo Library

Main bionique: toucher, bouger, sentir?

La recherche sur les prothèses de la main est en pleine effervescence. Une meilleure connaissance des liens entre les mains et le cerveau résout bon nombre des limitations jusqu’ici observées et laisse entrevoir l’apparition imminente de mains bioniques dignes des meilleurs films de science-fiction.

Fabrice Bares n’est pas un Jedi comme Luke Skywalker. Mais, comme ce personnage de Star Wars, le Français de 44 ans est amputé de la main droite. «Mon Dark Vador – le personnage de science-fiction ayant coupé la main de Luke Skywalker au sabre laser – c’est une tondeuse que j’ai eu le malheur de croiser d’un peu trop près à l’âge de 4 ans», déclarait-il à la télévision française en 2014. En effet, son cas a été largement diffusé dans les médias, puisqu’il était le premier cas de l’Hexagone à s’équiper d’une prothèse améliorée, dotée d’une technologie permettant d’effectuer des prises complexes de la vie de tous les jours, comme lacer ses chaussures ou taper sur un clavier d’ordinateur. Après s’être débrouillé sans prothèse pendant près de trente-cinq ans, il s’est «offert» cette main bionique à l’approche de ses 40 ans. En se voyant dans le miroir après s’être muni pour la première fois de sa prothèse, il se sent enfin normal, avec deux jambes et deux bras. Cependant, un décalage s’est créé entre ce que son cerveau interprète et la réalité: «C’est très perturbant comme situation. C’est comme si j’avais un bloc de béton autour du bras, j’ai l’impression que la prothèse est trois fois plus grosse qu’elle ne l’est en réalité», disait-il à l’époque à la télévision.

En effet, ce type de prothèse ne permet ni de moduler la force avec laquelle les objets sont saisis ni de ressentir leur forme et leur consistance. Un autre problème subsiste, comme le révèle Andrea Serino, chercheur en neurosciences à l’UNIL et au CHUV: «La grande majorité des personnes bénéficiant de prothèses finissent par l’abandonner.» Les chercheurs et ingénieurs sont en passe de comprendre les causes de ces rejets et de développer les solutions technologiques pour y faire face.

Une chance pour les amputés: les neuroscientifiques voient le développement de prothèses comme nécessaire à la recherche fondamentale. Les prothèses du futur dites bioniques éclairent en effet des interrogations du type «Comment notre cerveau développe-t-il le sentiment d’appartenance?». Le chercheur Daniel Huber, du Département des neurosciences de l’Université de Genève (Unige), y voit un moyen d’étudier la genèse d’une prise de décision ou encore de l’apprentissage du mouvement.

Parmi les nombreux projets internationaux en cours, Lausanne s’est fait pionnière depuis 2014, grâce au laboratoire de Silvestro Micera de l’EPFL et son étroite collaboration avec Andrea Serino. In Vivo vous invite à découvrir le monde futuriste de la prosthétique et des mains bioniques.

Super-anatomie

La main est un membre très complexe. «C’est une partie dont l’anatomie, l’habileté, la sensibilité et la force développée par rapport à la taille de l’organe sont remarquables», déclare Thierry Christen, médecin au Service de chirurgie plastique et de la main du CHUV. Pour comprendre toutes ces subtilités, une visite s’impose au Département des neurosciences fondamentales de l’Université de Lausanne. Les lieux abritent la salle d’anatomie et de morphologie où Julien Puyal, chargé de l’enseignement de l’anatomie de la main, explique: «C’est la cohabitation des muscles, tendons et articulations conjuguée à une organisation fonctionnelle stricte qui permet de mettre la main en mouvement dans toute l’étendue de ses multiples axes de liberté.»

La complexité anatomique de la main se manifeste aussi par le fait que pas moins de 36 muscles et 27 os articulés se coordonnent pour effectuer un simple mouvement de préhension de la main pour saisir un objet.

Malgré cela, reproduire la complexité mécanique d’une main ne semble pas effrayer les ingénieurs. «Ce n’est en tout cas pas le facteur limitant», selon le neuro-ingénieur Silvestro Micera, dont les travaux sont soutenus par le pôle de recherche national NCCR-Robotics et par la Fondation Bertarelli. Par contre, imiter le système nerveux sous-jacent permettant le pilotage précis de cette machinerie de précision est loin d’être acquis.

Les muscles sont contrôlés par les nerfs moteurs qui transmettent les signaux provenant du cerveau et de la moelle épinière. Les nerfs de la main contiennent également les fibres sensorielles qui envoient les informations vers le cerveau. Tels des câbles électriques, chaque fil d’un nerf correspond à une fibre nerveuse ayant un rôle moteur ou sensoriel bien spécifique. Certains nerfs ont un diamètre de plusieurs millimètres alors que les fibres nerveuses qu’ils contiennent sont beaucoup plus petites. Les fibres de motoneurones ont un diamètre d’environ 20 micromètres, soit cinq fois plus petit qu’un cheveu. Elles permettent une vitesse de transmission allant jusqu’à 120 mètres par seconde. Les fibres sensorielles, selon les modalités qu’elles véhiculent, ont des diamètres de taille variable.

«Par exemple, les fibres qui transmettent les informations douloureuses sont parmi les plus petites et peuvent faire un demi-micromètre de diamètre – 200 fois plus petit qu’un cheveu –, pour des vitesses de 2 mètres par seconde», précise Julien Puyal.

Le défi technique pour la prosthétique consiste à réussir à se connecter correctement à la petitesse des fibres motrices et sensorielles.

Les fibres nerveuses sensorielles se projettent sans relais de la main à la moelle épinière. Toutes les informations sensorielles sont ensuite transmises au cerveau, dans le cortex dit somatosensoriel. Cette zone corticale dédiée à la main est très étendue, car sa taille est proportionnelle au nombre de connexions nerveuses. «La face interne des doigts peut comporter jusqu’à 2’500 récepteurs sensoriels par centimètre carré. À titre de comparaison, une zone équivalente de la cuisse en possède environ 50 à 100 fois moins», indique Julien Puyal.

Quant à la contraction des muscles de la main – qui est à la base de chaque mouvement –, c’est l’aire motrice de la main située dans le cortex moteur qui commande les motoneurones. Il est important de relever que ces processus de décision cérébraux ne sont pas unidirectionnels. «En réalité, ils fonctionnent en boucle à l’intérieur du cortex. Le cerveau utilise des informations sensorielles pour affiner les mouvements comme il utilise les mouvements pour prévoir les sensations», dit Daniel Huber, chercheur à l’Unige.

Dans l’idée de pouvoir créer une main bionique similaire à celle d’un homme ou d’un Jedi, il faut donc être capable de transmettre des informations sensorielles au cortex pour que celui-ci soit en mesure d’améliorer cette main le plus adéquatement possible.

Marco Zambelli a perdu sa main droite à l’âge de 15 ans, pendant son apprentissage. Cinquante ans après, il retrouve l’espoir grâce à un nouveau type de prothèse qui lui permet d’effectuer tous les gestes du quotidien.

Lire son témoignage

L'arsenal prosthétique

Les prothèses actuellement disponibles sur le marché sont de plusieurs types qui n’assurent pas le même objectif. Le choix de la prothèse va d’abord dépendre du patient et de son besoin.

«Tous les amputés ne désirent pas la même chose. Certains assument et arrivent à se débrouiller avec leur moignon, d’autres désirent une prothèse purement esthétique, tandis que les derniers veulent retrouver de la fonctionnalité», indique Thierry Christen.

La prothèse esthétique a un seul but: cacher le handicap. Ce sont des prothèses sculptées dans la cire en copiant la main valide restante. Afin de retrouver quelques fonctionnalités d’une main valide, il existe plusieurs sortes de prothèses de main dites «myoélectriques». Dans ce type de prothèse, deux capteurs et deux électrodes sont apposés sur les parties restantes des muscles fléchisseurs et extenseurs du moignon. Le signal reçu au niveau des muscles permet une rotation de la main ainsi que son ouverture et fermeture telle une pince.

Depuis 2012, il existe des prothèses améliorées comme celle adoptée par Fabrice Bares. Celles de la firme allemande Ottobock, leader mondial du marché des prothèses, sont capables d’effectuer 14 mouvements et de reproduire 90% des gestes d’une main humaine. Mais John Spillar, spécialiste en marketing chez Ottobock, explique que «lorsqu’il s’agit de recréer une main humaine, c’est le pilotage des différentes fonctions qui pose problème, plutôt que la technicité des prothèses en elle-mêmes».

En guise de pilotage, Ottobock a développé un module de reconnaissance de formes mis sur le marché début 2019. Huit électrodes dans la commande de la prothèse mesurent les mouvements des muscles de l’avant-bras résiduel et les affectent à certains mouvements de la main.

«Lorsque le patient tend la main vers une bouteille d’eau, la commande de prothèse reconnaît le modèle de mouvement associé et donne automatiquement l’ordre d’effectuer la prise correspondante», indique John Spillar.

Pour faire face aux coûts de ces prothèses – évaluées à plusieurs dizaines de milliers de francs –, des alternatives à bas prix (quelques centaines de francs) ont été imaginées grâce à l’impression 3D. Elles permettent uniquement d’ouvrir et de fermer la main et sont particulièrement rapides à fabriquer. Elles répondent parfaitement au cas particulier des enfants en pleine croissance qui doivent souvent changer de taille de prothèse. De plus, elles s’enfilent et se retirent sans difficulté, ne requièrent pas de chirurgie ou de réadaptation.

En Suisse, c’est la Caisse nationale suisse d’assurance en cas d’accidents (Suva) qui prend en charge les patients. S’ensuit un processus complexe qui définira le type de prothèse à adopter. «Il existe relativement peu de personnes amputées d’un membre supérieur en Suisse, certainement parce qu’il y règne de bonnes conditions de sécurité au travail et que le pays n’est pas en guerre», précise Sébastien Durand, chirurgien au Service de chirurgie plastique et de la main du CHUV.

Le soi de caoutchouc

Comme l’indique le chercheur Andrea Serino, la majorité des amputés abandonnent leur prothèse. «La raison est qu’ils n’arrivent pas à se l’approprier et préfèrent encore se débrouiller avec leur moignon», ajoute-t-il. De plus, bon nombre d’amputés souffrent de douleurs fantômes de leur membre perdu et les prothèses, aussi sophistiquées soient-elles, ne résolvent rien des douleurs.

«90% des amputés ont des sensations fantômes et 70% d’entre eux souffrent de douleurs fantômes, comme si le membre amputé existait encore», précise Andrea Serino.

Ces sensations bien connues sont dues à la persistance de la représentation du membre amputé par le cerveau.

Les recherches d’Andrea Serino et de son équipe, en particulier le Dr Michel Akselrod, visent à comprendre comment le cerveau humain génère le sentiment d’appartenance et quelles voies neuronales sont impliquées. Ses études ont démontré que la conscience de soi n’est pas uniquement due à la vision, mais à l’intégration de signaux multisensoriels. Par exemple, juste avant que le cerveau envoie une commande motrice à la main, il effectue une prédiction de la position de cette dernière. À la suite du mouvement, une batterie de retours sensoriels a lieu. «Si les retours sont cohérents avec la prédiction, le cerveau s’approprie le mouvement comme étant le sien. Si la main bouge à gauche alors que le cerveau voulait bouger à droite, il n’y a pas d’appropriation de la main», précise-t-il.

Le toucher et la vision sont donc les aspects fondamentaux de la conscience de soi, comme le prouve l’illusion de la main en caoutchouc («rubber hand illusion» en anglais). C’est un test bien connu au cours duquel un individu doit placer ses deux mains sur une table face à lui. Un panneau l’empêche de voir une de ses mains. Une main en caoutchouc est placée dans le champ de vision de la personne de manière à ce qu’elle adopte la même position que la main cachée. L’expérimentateur caresse ensuite l’un des doigts de la main en caoutchouc avec un pinceau et effectue exactement la même chose et de manière simultanée sur la main cachée.

«Cette stimulation simultanée va faire en sorte que le cerveau s’approprie la main en caoutchouc en quelques secondes seulement», relève Andrea Serino.

Pour le démontrer et sans prévenir, l’expérimentateur écrase subitement la main artificielle avec un marteau. L’individu retire alors automatiquement sa vraie main.

«Si les prothèses ne sont pas tolérées par les personnes amputées, c’est qu’elles ne les considèrent pas comme une partie de leur corps», indique le chercheur. Avec son collègue de l’EPFL, Silvestro Micera, il a réussi à prouver que cela venait du fait que les aspects sensoriels ont été négligés.

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La solution sensomimétique

Les équipes de recherche de Silvestro Micera tentent de restaurer les connexions bidirectionnelles entre le système nerveux et la main. Elles sont pionnières dans le développement de méthodes pour délivrer des retours sensoriels à l’utilisateur d’une prothèse.

«Notre approche consiste à inclure des capteurs dans la prothèse et à les utiliser pour obtenir des informations sur la tâche de la main en cours. Nous les traduisons ensuite en paramètres électriques utilisés pour stimuler les nerfs périphériques sensoriels», décrit le chercheur. Pour ce faire, il implante des électrodes de stimulation directement dans les nerfs – une sorte de petit cheveu avec de multiples contacts électriques. «Tout en stimulant chacun d’entre eux l’un après l’autre, nous demandons simplement au patient s’il ressent quelque chose et de quelle sensation il s’agit. Nous connectons ensuite le capteur prosthétique correspondant au système nerveux du patient.»

Depuis 2013, quatre amputés volontaires ont reçu les prothèses expérimentales de Silvestro Micera.

Elles ont été maintenues pendant six mois, le temps de l’expérience. Le feedback sensoriel a permis d’améliorer la qualité du mouvement puisque les patients peuvent l’adapter en fonction des retours. Les quatre volontaires étaient donc plus performants. L’appartenance de la prothèse, comme prédit par Andrea Serino, était bien meilleure grâce au feedback sensoriel, et finalement, les patients ne ressentaient plus de douleurs fantômes. Cette approche a généré une série de publications scientifiques, notamment dans les revues Science Robotics et Neuron, et fera l’objet d’une suite. Les chercheurs se préparent désormais à la pose d’implants définitifs pour la fin 2020.

Dans ces essais, un nombre limité de capteurs sensoriels ont été utilisés alors qu’une main réelle est capable de détecter des vibrations, des mouvements dynamiques et statiques, des sensations de toucher, de pression ou encore de température. Alors, est-ce que la main bionique de Luke Skywalker sera un jour sur le marché des prothèses? Pas avant vingt ans, selon les experts. De plus, la complexité sensorielle de la main ne sera pas reproductible à 100%, car les stimulations électriques ne sont pas assez précises pour cibler la petitesse d’une fibre sensorielle donnée. «En revanche, nous essayons déjà d’utiliser une véritable "peau sensorielle" développée par des chercheurs à Singapour pour remplacer nos capteurs. De notre côté, nous essayons de gagner en spécificité de stimulation à travers des approches nécessitant de modifier génétiquement les neurones des fibres sensorielles afin d’utiliser de la lumière – au lieu de l’électricité – pour les stimuler et gagner en précision», prévoit Silvestro Micera. La balle est ainsi dans le camp des développeurs de détecteurs pour aller vers plus de sophistication.

Intégrer un feedback sensoriel dans les prothèses de la main et les prothèses en général fait partie de nombreux projets de recherche.

Le leader du marché Ottobock cherche actuellement des électrodes implantables avec «plusieurs instituts de recherche pour trouver des solutions de retour sensoriel à moyen terme», comme l’indique John Spillar. Les consortiums européens comme DeTop ou LifeHand2 de Silvestro Micera ont la même stratégie. Les projets diffèrent toutefois dans la manière de connecter une prothèse au système nerveux. Selon Andrea Serino, «leur principal défi consiste à trouver la combinaison minimale d’entrées sensorielles et de commandes motrices qui soit suffisante pour tromper le cerveau en lui faisant croire qu’il s’agit de retours sensoriels réels pour qu’il s’approprie la prothèse».



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Photo ci-dessus:

Cette illustration montre l’anatomie des tendons dans la main. Elle est issue d’un manuel allemand datant de 1913.

Qu'est-ce qu'une main bionique?

Il s’agit d’une prothèse dont les mouvements sont guidés par le cerveau pour reproduire au mieux les gestes d’une main «naturelle»

3 millions

Nombre de personnes dans le monde ayant subi une amputation des membres supérieurs.

70%

En pourcentage, les personnes porteuses d’une prothèse souffrant de douleurs fantômes.

4

Le nombre de personnes qui ont reçu une prothèse bionique développée par Silvestro Micera à l’EPFL.

Star de cinéma

Une main tranchée à la recherche de son corps est au centre du film d’animation français J’ai perdu mon corps. Récompensé au Festival de Cannes cette année, le film sera même présenté aux Oscars en février 2020.

170’000

Le nombre de personnes qui utilisent la langue des signes française. Contrairement à une idée reçue, il n’existe pas de langue des signes universelle, mais de nombreuses familles et déclinaisons régionales.

Virtuose

Niccolò Paganini, le grand violoniste du XIXe siècle, doit une partie de ses exploits musicaux à la morphologie de ses mains: en effet, celles-ci étaient dotées d’une grande extensibilité, lui permettant des mouvements de flexion hors norme.

Attention au diabète

Les amputations des membres supérieurs concernent actuellement 3 millions de personnes dans le monde. Près de 2,4 millions d’entre elles vivent dans les pays en voie de développement, selon une étude de l’Université d’État de Pennsylvanie publiée en 2015. Dans ces pays, plus de 75% des amputations d’une partie d’un bras sont dues à des traumatismes. Ils surviennent principalement dans l’environnement de travail ou dans des zones de conflit. Suivent les maladies congénitales, les cancers et les maladies infectieuses ou cardiovasculaires. Ces maladies sont par ailleurs les causes principales d’amputation dans les pays développés, avec les complications cardiovasculaires liées au diabète en tête. Et les amputations de ce type ne devraient pas ralentir, selon l’étude universitaire, à cause de la hausse du diabète due au changement des habitudes alimentaires. Rien qu’aux États-Unis, il y aurait approximativement 10’000 nouveaux amputés des membres supérieurs chaque année, selon le National Center for Health Statistics.

Réapprendre à marcher

Rétablir les connexions entre le cerveau et les membres aide aussi les personnes paraplégiques. Dans le cadre de l’étude STIMO («Stimulation Movement Overground»), publiée l’an dernier, des chercheurs du CHUV et de l’EPFL ont implanté des électrodes dans la moelle épinière de trois patients. Celles-ci activent des zones spécifiques et reproduisent les signaux que le cerveau lancerait pour engendrer la marche. Grâce à cette stimulation électrique ciblée, associée à une thérapie de support de poids corporel, les patients ont pu marcher à l’aide de béquilles ou d’un déambulateur et contrôler les muscles de leurs jambes, jusqu’alors paralysés.