Gert-Jan Oskam a perdu la capacité de marcher en 2011 lorsqu'il s'est blessé à la colonne vertébrale dans un accident de vélo en Chine. Six ans plus tard, le Néerlandais a réussi à faire quelques petits pas grâce à un petit réseau d'électrodes implantées au-dessus de sa moelle épinière qui délivraient des impulsions électriques stimulantes pour les nerfs. L'appareil lui permettait de marcher, mais le processus était peu naturel et parfois frustrant.

Aujourd'hui dans Nature , une équipe internationale de chercheurs rapporte avoir apporté à Oskam une meilleure solution, un moyen de combler numériquement le fossé de communication entre son cerveau et le bas de son corps . Les ondes cérébrales signalant le désir d'Oskam de marcher se déplacent d'un appareil implanté dans son crâne au stimulateur de la colonne vertébrale, redirigeant le signal autour du tissu endommagé et délivrant des impulsions électriques à la moelle épinière pour faciliter le mouvement. Oskam peut désormais marcher avec plus de fluidité, franchir des obstacles et monter des escaliers. « Avant la stimulation me contrôlait, et maintenant je contrôle la stimulation », dit-il.

Cette nouvelle interface cerveau-colonne vertébrale semble également favoriser une meilleure récupération que la stimulation seule. Oskam, qui a conservé certaines connexions de la moelle épinière intactes après l'accident, peut également marcher avec des béquilles même avec les deux appareils éteints, ce qu'il n'avait jamais pu faire auparavant.

La stimulation de la moelle épinière et les interfaces cérébrales ont toutes deux été utilisées dans le passé, mais « elles n'ont jamais été combinées de cette façon », explique Keith Tansey, neurologue au Methodist Rehabilitation Center. « D’un point de vue ingénierie biomédicale, c'est un véritable tour de force. Mais lui et d'autres, y compris les auteurs de l'étude, soulignent qu'il est important de reconnaître que l'étude est une preuve de concept avec un seul participant. Il n'est pas encore certain que les autres personnes atteintes de lésions de la moelle épinière verront les mêmes résultats. 

Certaines blessures paralysantes sectionnent complètement la moelle épinière, mais le plus souvent, des connexions endommagées entre le cerveau et le bas du corps subsistent. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de trouver des moyens de réparer ces autoroutes nerveuses brisées.

La nouvelle étude s'appuie sur les travaux de Grégoire Courtine, neuroscientifique à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, et de Jocelyne Bloch, neurochirurgienne à l'Université de Lausanne. En 2018, le duo et ses collègues ont montré que la stimulation vertébrale combinée à un entraînement intensif pouvait aider les personnes atteintes de paralysie partielle à marcher (Résumé). Oskam était l'un des trois premiers participants à cet essai, chacun ayant conservé une certaine sensation dans le bas du corps. L'année dernière, les chercheurs ont rapporté que la stimulation fonctionnait également chez les personnes souffrant de blessures plus graves qui n'avaient aucune sensation ou mouvement dans leurs jambes.

Mais la stimulation vertébrale a quelques inconvénients. Pour initier la marche ou la station debout, l'utilisateur doit provoquer manuellement le signal, par exemple en appuyant sur un bouton. Oskam pouvait encore soulever son talon après sa blessure, et un capteur sur son pied pouvait détecter ce petit mouvement, déclenchant le stimulateur. Après cela, le mouvement induit était robotique et automatique - pas sous le contrôle conscient d'Oskam. À elle seule, la stimulation de la colonne vertébrale est «un peu comme un marionnettiste », explique Dennis Bourbeau, ingénieur biomédical au Louis Stokes Cleveland Veterans Affairs Medical Center et chercheur au MetroHealth System.

« Je me sentais un peu stressé à chaque pas », dit Oskam. « Il fallait que je sois dans le rythme sinon je ne ferais pas un bon pas. Et beaucoup de mouvements qui auraient été utiles dans la vie quotidienne – monter des escaliers, par exemple – étaient hors de portée ». 

Le nouveau système vise à rendre le processus plus transparent. L'interface cérébrale se compose de deux réseaux de 64 électrodes, chacune intégrée dans un boîtier en titane. Ceux-ci sont intégrés chirurgicalement dans le crâne, un de chaque côté de la tête, où ils reposent sur le cortex moteur et captent les signaux électriques. Ces signaux voyagent sans fil vers un casque, puis vers un ordinateur portable dans un sac à dos porté par Oskam, où un algorithme décode son mouvement prévu. L'ordinateur envoie ensuite ces prédictions au stimulateur, qui délivre différents modèles d'impulsions électriques en fonction du mouvement souhaité. Combiner ces appareils n'a pas été une tâche facile car « aucun de ces systèmes n'est censé se parler », explique An Do, neurologue à l'Université de Californie à Irvine. 

Cette nouvelle version du système d'Oskam lui permet de contrôler plus précisément ses articulations de la hanche, du genou et de la cheville. Après 40 séances d'entraînement, il peut faire un pas, marcher, se tenir debout et même monter des escaliers. Et les avantages semblent persister même lorsque les appareils sont éteints, ce qui suggère que les connexions entre son cerveau et le bas du corps se sont peut-être renforcées.
« Ce n'est encore qu'un début, mais en tant que preuve de concept chez un être humain, je pense que c'est un énorme pas en avant », déclare Nandan Lad, neurochirurgien à l'Université Duke.

Michael Fehlings, neurochirurgien à l'Université de Toronto, dit que les résultats sont impressionnants, mais on ne sait pas encore quelles personnes atteintes de lésions de la moelle épinière pourraient en bénéficier et quelles fonctions elles pourraient retrouver. « Il s'agit d'un cas unique, et le patient est probablement très soigneusement sélectionné. »

Et certains patients pourraient être découragés par le caractère invasif de la thérapie. L'implantation des dispositifs nécessite une chirurgie à cerveau ouvert, ce qui comporte des risques. En fait, l'un des implants cérébraux d'Oskam a dû être retiré après environ 6 mois à cause d'une infection staphylococcique.

Les chercheurs disent que leurs prochaines étapes seront de rendre la technologie moins encombrante. Bloch et Courtine ont cofondé une société appelée Onward qui prévoit de développer un système rationalisé et entièrement intégré. L'équipe prévoit également de tester si l'interface cerveau-colonne vertébrale peut aider à améliorer ou à restaurer le mouvement du haut du corps chez les patients souffrant de lésions de la colonne vertébrale supérieure.

Fehlings est impatient de voir comment la technologie évolue. « C'est un cas très intéressant. C'est une belle pièce d'ingénierie », dit-il. « Mais les résultats doivent être interprétés avec prudence. »