La main est un membre tr\u00e8s complexe. \u00ab\u200aC\u2019est une partie dont l\u2019anatomie, l\u2019habilet\u00e9, la sensibilit\u00e9 et la force d\u00e9velopp\u00e9e par rapport \u00e0 la taille de l\u2019organe sont remarquables\u200a\u00bb, d\u00e9clare Thierry Christen, m\u00e9decin au Service de chirurgie plastique et de la main du CHUV. Pour comprendre toutes ces subtilit\u00e9s, une visite s\u2019impose au D\u00e9partement des neurosciences fondamentales de l\u2019Universit\u00e9 de Lausanne. Les lieux abritent la salle d\u2019anatomie et de morphologie o\u00f9 Julien Puyal, charg\u00e9 de l\u2019enseignement de l\u2019anatomie de la main, explique\u200a: \u00ab\u200aC\u2019est la cohabitation des muscles, tendons et articulations conjugu\u00e9e \u00e0 une organisation fonctionnelle stricte qui permet de mettre la main en mouvement dans toute l\u2019\u00e9tendue de ses multiples axes de libert\u00e9.\u200a\u00bb La complexit\u00e9 anatomique de la main se manifeste aussi par le fait que pas moins de 36 muscles et 27 os articul\u00e9s se coordonnent pour effectuer un simple mouvement de pr\u00e9hension de la main pour saisir un objet.<\/p>\n
Malgr\u00e9 cela, reproduire la complexit\u00e9 m\u00e9canique d\u2019une main ne semble pas effrayer les ing\u00e9nieurs. \u00ab\u200aCe n\u2019est en tout cas pas le facteur limitant\u200a\u00bb, selon le neuro-ing\u00e9nieur Silvestro Micera, dont les travaux sont soutenus par le p\u00f4le de recherche national NCCR-Robotics et par la Fondation Bertarelli. Par contre, imiter le syst\u00e8me nerveux sous-jacent permettant le pilotage pr\u00e9cis de cette machinerie de pr\u00e9cision est loin d\u2019\u00eatre acquis.<\/p>\n
Les muscles sont contr\u00f4l\u00e9s par les nerfs moteurs qui transmettent les signaux provenant du cerveau et de la moelle \u00e9pini\u00e8re. Les nerfs de la main contiennent \u00e9galement les fibres sensorielles qui envoient les informations vers le cerveau. Tels des c\u00e2bles \u00e9lectriques, chaque fil d\u2019un nerf correspond \u00e0 une fibre nerveuse ayant un r\u00f4le moteur ou sensoriel bien sp\u00e9cifique. Certains nerfs ont un diam\u00e8tre de plusieurs millim\u00e8tres alors que les fibres nerveuses qu\u2019ils contiennent sont beaucoup plus petites. Les fibres de motoneurones ont un diam\u00e8tre d\u2019environ 20 microm\u00e8tres, soit cinq fois plus petit qu\u2019un cheveu. Elles permettent une vitesse de transmission allant jusqu\u2019\u00e0 120 m\u00e8tres par seconde. Les fibres sensorielles, selon les modalit\u00e9s qu\u2019elles v\u00e9hiculent, ont des diam\u00e8tres de taille variable. \u00ab\u200aPar exemple, les fibres qui transmettent les informations douloureuses sont parmi les plus petites et peuvent faire un demi-microm\u00e8tre de diam\u00e8tre \u2013 200 fois plus petit qu\u2019un cheveu \u2013, pour des vitesses de 2 m\u00e8tres par seconde\u200a\u00bb, pr\u00e9cise Julien Puyal. Le d\u00e9fi technique pour la prosth\u00e9tique consiste \u00e0 r\u00e9ussir \u00e0 se connecter correctement \u00e0 la petitesse des fibres motrices et sensorielles.<\/p>\n
Les fibres nerveuses sensorielles se projettent sans relais de la main \u00e0 la moelle \u00e9pini\u00e8re. Toutes les informations sensorielles sont ensuite transmises au cerveau, dans le cortex dit somatosensoriel. Cette zone corticale d\u00e9di\u00e9e \u00e0 la main est tr\u00e8s \u00e9tendue, car sa taille est proportionnelle au nombre de connexions nerveuses. \u00ab\u200aLa face interne des doigts peut comporter jusqu\u2019\u00e0 2\u2019500 r\u00e9cepteurs sensoriels par centim\u00e8tre carr\u00e9. \u00c0 titre de comparaison, une zone \u00e9quivalente de la cuisse en poss\u00e8de environ 50 \u00e0 100 fois moins\u200a\u00bb, indique Julien Puyal.<\/p>\n
Quant \u00e0 la contraction des muscles de la main \u2013 qui est \u00e0 la base de chaque mouvement \u2013, c\u2019est l\u2019aire motrice de la main situ\u00e9e dans le cortex moteur qui commande les motoneurones. Il est important de relever que ces processus de d\u00e9cision c\u00e9r\u00e9braux ne sont pas unidirectionnels. \u00ab\u200aEn r\u00e9alit\u00e9, ils fonctionnent en boucle \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur du cortex. Le cerveau utilise des informations sensorielles pour affiner les mouvements comme il utilise les mouvements pour pr\u00e9voir les sensations\u200a\u00bb, dit Daniel Huber, chercheur \u00e0 l\u2019Unige. Dans l\u2019id\u00e9e de pouvoir cr\u00e9er une main bionique similaire \u00e0 celle d\u2019un homme ou d\u2019un Jedi, il faut donc \u00eatre capable de transmettre des informations sensorielles au cortex pour que celui-ci soit en mesure d\u2019am\u00e9liorer cette main le plus ad\u00e9quatement possible.<\/p>\n
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L\u2019arsenal prosth\u00e9tique<\/strong><\/p>\n Les proth\u00e8ses actuellement disponibles sur le march\u00e9 sont de plusieurs types qui n\u2019assurent pas le m\u00eame objectif. Le choix de la proth\u00e8se va d\u2019abord d\u00e9pendre du patient et de son besoin. \u00ab\u200aTous les amput\u00e9s ne d\u00e9sirent pas la m\u00eame chose. Certains assument et arrivent \u00e0 se d\u00e9brouiller avec leur moignon, d\u2019autres d\u00e9sirent une proth\u00e8se purement esth\u00e9tique, tandis que les derniers veulent retrouver de la fonctionnalit\u00e9\u200a\u00bb, indique Thierry Christen.<\/p>\n La proth\u00e8se esth\u00e9tique a un seul but\u200a: cacher le handicap. Ce sont des proth\u00e8ses sculpt\u00e9es dans la cire en copiant la main valide restante. Afin de retrouver quelques fonctionnalit\u00e9s d\u2019une main valide, il existe plusieurs sortes de proth\u00e8ses de main dites \u00ab\u200amyo\u00e9lectriques\u200a\u00bb. Dans ce type de proth\u00e8se, deux capteurs et deux \u00e9lectrodes sont appos\u00e9s sur les parties restantes des muscles fl\u00e9chisseurs et extenseurs du moignon. Le signal re\u00e7u au niveau des muscles permet une rotation de la main ainsi que son ouverture et fermeture telle une pince.<\/p>\n Depuis 2012, il existe des proth\u00e8ses am\u00e9lior\u00e9es comme celle adopt\u00e9e par Fabrice Bares. Celles de la firme allemande Ottobock, leader mondial du march\u00e9 des proth\u00e8ses, sont capables d\u2019effectuer 14 mouvements et de reproduire 90% des gestes d\u2019une main humaine. Mais John Spillar,\u00a0sp\u00e9cialiste en marketing chez Ottobock, explique que \u00ab\u200alorsqu\u2019il s\u2019agit de recr\u00e9er une main humaine, c\u2019est le pilotage des diff\u00e9rentes fonctions qui pose probl\u00e8me, plut\u00f4t que la technicit\u00e9 des proth\u00e8ses en elle-m\u00eames\u200a\u00bb.<\/p>\n En guise de pilotage, Ottobock a d\u00e9velopp\u00e9 un module de reconnaissance de formes mis sur le march\u00e9 d\u00e9but 2019. Huit \u00e9lectrodes dans la commande de la proth\u00e8se mesurent les mouvements des muscles de l\u2019avant-bras r\u00e9siduel et les affectent \u00e0 certains mouvements de la main. \u00ab\u200aLorsque le patient tend la main vers une bouteille d\u2019eau, la commande de proth\u00e8se reconna\u00eet le mod\u00e8le de mouvement associ\u00e9 et donne automatiquement l\u2019ordre d\u2019effectuer la prise correspondante\u200a\u00bb, indique John Spillar.<\/p>\n Pour faire face aux co\u00fbts de ces proth\u00e8ses \u2013 \u00e9valu\u00e9es \u00e0 plusieurs dizaines de milliers de francs \u2013, des alternatives \u00e0 bas prix (quelques centaines de francs) ont \u00e9t\u00e9 imagin\u00e9es gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019impression 3D. Elles permettent uniquement d\u2019ouvrir et de fermer la main et sont particuli\u00e8rement rapides \u00e0 fabriquer. Elles r\u00e9pondent parfaitement au cas particulier des enfants en pleine croissance qui doivent souvent changer de taille de proth\u00e8se. De plus, elles s\u2019enfilent et se retirent sans difficult\u00e9, ne requi\u00e8rent pas de chirurgie ou de r\u00e9adaptation.<\/p>\n En Suisse, c\u2019est la Caisse nationale suisse d\u2019assurance en cas d\u2019accidents (Suva) qui prend en charge les patients. S\u2019ensuit un processus complexe qui d\u00e9finira le type de proth\u00e8se \u00e0 adopter. \u00ab\u200aIl existe relativement peu de personnes amput\u00e9es d\u2019un membre sup\u00e9rieur en Suisse, certainement parce qu\u2019il y r\u00e8gne de bonnes conditions de s\u00e9curit\u00e9 au travail et que le pays n\u2019est pas en guerre\u200a\u00bb, pr\u00e9cise S\u00e9bastien Durand, chirurgien au Service de chirurgie plastique et de la main du CHUV.<\/p>\n Le soi de caoutchouc<\/strong><\/p>\n Comme l\u2019indique le chercheur Andrea Serino, la majorit\u00e9 des amput\u00e9s abandonnent leur proth\u00e8se. \u00ab\u200aLa raison est qu\u2019ils n\u2019arrivent pas \u00e0 se l\u2019approprier et pr\u00e9f\u00e8rent encore se d\u00e9brouiller avec leur moignon\u200a\u00bb, ajoute-t-il. De plus, bon nombre d\u2019amput\u00e9s souffrent de douleurs fant\u00f4mes de leur membre perdu et les proth\u00e8ses, aussi sophistiqu\u00e9es soient-elles, ne r\u00e9solvent rien des douleurs. \u00ab\u200a90% des amput\u00e9s ont des sensations fant\u00f4mes et 70% d\u2019entre eux souffrent de douleurs fant\u00f4mes, comme si le membre amput\u00e9 existait encore\u200a\u00bb, pr\u00e9cise-t-il. Ces sensations bien connues sont dues \u00e0 la persistance de la repr\u00e9sentation du membre amput\u00e9 par le cerveau.<\/p>\n Les recherches d\u2019Andrea Serino et de son \u00e9quipe, en particulier le Dr Michel Akselrod, visent \u00e0 comprendre comment le cerveau humain g\u00e9n\u00e8re le sentiment d\u2019appartenance et quelles voies neuronales sont impliqu\u00e9es. Ses \u00e9tudes ont d\u00e9montr\u00e9 que la conscience de soi n\u2019est pas uniquement due \u00e0 la vision, mais \u00e0 l\u2019int\u00e9gration de signaux multisensoriels. Par exemple, juste avant que le cerveau envoie une commande motrice \u00e0 la main, il effectue une pr\u00e9diction de la position de cette derni\u00e8re. \u00c0 la suite du mouvement, une batterie de retours sensoriels a lieu. \u00ab\u200aSi les retours sont coh\u00e9rents avec la pr\u00e9diction, le cerveau s\u2019approprie le mouvement comme \u00e9tant le sien. Si la main bouge \u00e0 gauche alors que le cerveau voulait bouger \u00e0 droite, il n\u2019y a pas d\u2019appropriation de la main\u200a\u00bb, pr\u00e9cise-t-il.<\/p>\n Le toucher et la vision sont donc les aspects fondamentaux de la conscience de soi, comme le prouve l\u2019illusion de la main en caoutchouc (\u00abrubber hand illusion\u00bb en anglais). C\u2019est un test bien connu au cours duquel un individu doit placer ses deux mains sur une table face \u00e0 lui. Un panneau l\u2019emp\u00eache de voir une de ses mains. Une main en caoutchouc est plac\u00e9e dans le champ de vision de la personne de mani\u00e8re \u00e0 ce qu\u2019elle adopte la m\u00eame position que la main cach\u00e9e. L\u2019exp\u00e9rimentateur caresse ensuite l\u2019un des doigts de la main en caoutchouc avec un pinceau et effectue exactement la m\u00eame chose et de mani\u00e8re simultan\u00e9e sur la main cach\u00e9e. \u00ab\u200aCette stimulation simultan\u00e9e va faire en sorte que le cerveau s\u2019approprie la main en caoutchouc en quelques secondes seulement\u200a\u00bb, rel\u00e8ve Andrea Serino. Pour le d\u00e9montrer et sans pr\u00e9venir, l\u2019exp\u00e9rimentateur \u00e9crase subitement la main artificielle avec un marteau. L\u2019individu retire alors automatiquement sa vraie main. \u00ab\u200aSi les proth\u00e8ses ne sont pas tol\u00e9r\u00e9es par les personnes amput\u00e9es, c\u2019est qu\u2019elles ne les consid\u00e8rent pas comme une partie de leur corps\u200a\u00bb, indique le chercheur. Avec son coll\u00e8gue de l\u2019EPFL, Silvestro Micera, il a r\u00e9ussi \u00e0 prouver que cela venait du fait que les aspects sensoriels ont \u00e9t\u00e9 n\u00e9glig\u00e9s.<\/p>\n La solution sensomim\u00e9tique<\/strong><\/p>\n Les \u00e9quipes de recherche de Silvestro Micera tentent de restaurer les connexions bidirectionnelles entre le syst\u00e8me nerveux et la main. Elles sont pionni\u00e8res dans le d\u00e9veloppement de m\u00e9thodes pour d\u00e9livrer des retours sensoriels \u00e0 l\u2019utilisateur d\u2019une proth\u00e8se. \u00ab\u200aNotre approche consiste \u00e0 inclure des capteurs dans la proth\u00e8se et \u00e0 les utiliser pour obtenir des informations sur la t\u00e2che de la main en cours. Nous les traduisons ensuite en param\u00e8tres \u00e9lectriques utilis\u00e9s pour stimuler les nerfs p\u00e9riph\u00e9riques sensoriels\u200a\u00bb, d\u00e9crit le chercheur. Pour ce faire, il implante des \u00e9lectrodes de stimulation directement dans les nerfs \u2013 une sorte de petit cheveu avec de multiples contacts \u00e9lectriques. \u00ab\u200aTout en stimulant chacun d\u2019entre eux l\u2019un apr\u00e8s l\u2019autre, nous demandons simplement au patient s\u2019il ressent quelque chose et de quelle sensation il s\u2019agit. Nous connectons ensuite le capteur prosth\u00e9tique correspondant au syst\u00e8me nerveux du patient.\u200a\u00bb<\/p>\n Depuis 2013, quatre amput\u00e9s volontaires ont re\u00e7u les proth\u00e8ses exp\u00e9rimentales de Silvestro Micera. Elles ont \u00e9t\u00e9 maintenues pendant six mois, le temps de l\u2019exp\u00e9rience. Le feedback sensoriel a permis d\u2019am\u00e9liorer la qualit\u00e9 du mouvement puisque les patients peuvent l\u2019adapter en fonction des retours. Les quatre volontaires \u00e9taient donc plus performants. L\u2019appartenance de la proth\u00e8se, comme pr\u00e9dit par Andr\u00e9a Serino, \u00e9tait bien meilleure gr\u00e2ce au feedback sensoriel, et finalement, les patients ne ressentaient plus de douleurs fant\u00f4mes. Cette approche a g\u00e9n\u00e9r\u00e9 une s\u00e9rie de publications scientifiques, notamment dans les revues Science Robotics et Neuron, et fera l\u2019objet d\u2019une suite. Les chercheurs se pr\u00e9parent d\u00e9sormais \u00e0 la pose d\u2019implants d\u00e9finitifs pour la fin 2020.<\/p>\n Dans ces essais, un nombre limit\u00e9 de capteurs sensoriels ont \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9s alors qu\u2019une main r\u00e9elle est capable de d\u00e9tecter des vibrations, des mouvements dynamiques et statiques, des sensations de toucher, de pression ou encore de temp\u00e9rature. Alors, est-ce que la main bionique de Luke Skywalker sera un jour sur le march\u00e9 des proth\u00e8ses\u200a? Pas avant vingt ans, selon les experts. De plus, la complexit\u00e9 sensorielle de la main ne sera pas reproductible \u00e0 100%, car les stimulations \u00e9lectriques ne sont pas assez pr\u00e9cises pour cibler la petitesse d\u2019une fibre sensorielle donn\u00e9e. \u00ab\u200aEn revanche, nous essayons d\u00e9j\u00e0 d\u2019utiliser une v\u00e9ritable \u2018\u200apeau sensorielle\u200a\u2019 d\u00e9velopp\u00e9e par des chercheurs \u00e0 Singapour pour remplacer nos capteurs. De notre c\u00f4t\u00e9, nous essayons de gagner en sp\u00e9cificit\u00e9 de stimulation \u00e0 travers des approches n\u00e9cessitant de modifier g\u00e9n\u00e9tiquement les neurones des fibres sensorielles afin d\u2019utiliser de la lumi\u00e8re \u2013 au lieu de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 \u2013 pour les stimuler et gagner en pr\u00e9cision\u200a\u00bb, pr\u00e9voit Silvestro Micera. La balle est ainsi dans le camp des d\u00e9veloppeurs de d\u00e9tecteurs pour aller vers plus de sophistication.<\/p>\n Int\u00e9grer un feedback sensoriel dans les proth\u00e8ses de la main et les proth\u00e8ses en g\u00e9n\u00e9ral fait partie de nombreux projets de recherche. Le leader du march\u00e9 Ottobock cherche actuellement des \u00e9lectrodes implantables avec \u00ab\u200aplusieurs instituts de recherche pour trouver des solutions de retour\u00a0sensoriel \u00e0 moyen terme\u200a\u00bb, comme l\u2019indique John Spillar. Les consortiums europ\u00e9ens comme DeTop ou\u00a0LifeHand2 de Silvestro Micera ont la m\u00eame strat\u00e9gie. Les projets diff\u00e8rent toutefois dans la mani\u00e8re de connecter une proth\u00e8se au syst\u00e8me nerveux. Selon Andrea Serino, \u00ab\u200aleur principal d\u00e9fi consiste \u00e0 trouver la combinaison minimale d\u2019entr\u00e9es sensorielles et de commandes motrices qui soit\u00a0suffisante pour tromper le cerveau en lui faisant croire qu\u2019il s\u2019agit de retours sensoriels r\u00e9els pour qu\u2019il s\u2019approprie la proth\u00e8se\u200a\u00bb.<\/p>\n _______<\/p>\n Une version de cet article r\u00e9alis\u00e9 par LargeNetwork est parue dans In Vivo magazine (no 20).<\/p>\n