Interfaces neurales et rétroaction sensorielle

Les interfaces neurales et la rétroaction sensorielle concernent le lien bidirectionnel entre une prothèse motorisée et le système nerveux de l'utilisateur. La voie efférente lit l'intention — à partir de l'activité musculaire résiduelle, de nerfs réacheminés chirurgicalement, ou directement des nerfs périphériques — et la convertit en commandes pour le dispositif. La voie afférente boucle la boucle en restituant à l'utilisateur des informations de toucher, de force ou de position, de sorte que le membre soit non seulement contrôlé mais aussi ressenti. Ensemble, ces éléments définissent l'objectif d'une prothèse bidirectionnelle et intuitive.

Definition

Une interface neurale pour les prothèses est le système qui transmet les commandes motrices du système nerveux ou musculaire de l'utilisateur à un dispositif et, dans les conceptions bidirectionnelles, renvoie des signaux sensoriels à l'utilisateur, permettant le contrôle et la sensation d'un membre artificiel.

Scope

Ce sujet couvre les interfaces de commande (efférentes) et de rétroaction (afférentes) utilisées avec les prothèses motorisées : le contrôle myoélectrique, la réinnervation musculaire ciblée, les interfaces nerveuses périphériques, et les moyens de restaurer la sensation tactile et proprioceptive. Il se concentre sur les principes et les résultats de la recherche, et non sur la technique chirurgicale ou l'ajustement des dispositifs. Il s'agit d'un contenu de référence à visée éducative, n'offrant aucune instruction clinique.

Core questions

• Comment l'intention de mouvement est-elle extraite — des muscles, des nerfs transférés ou des nerfs périphériques ?
• Qu'est-ce que la réinnervation musculaire ciblée, et pourquoi améliore-t-elle le contrôle ?
• Comment le toucher et la proprioception peuvent-ils être restitués à un utilisateur de prothèse ?
• Que signifie pour une prothèse d'être 'bidirectionnelle' ?

Key concepts

• Voies efférentes (commande) versus afférentes (rétroaction)
• Contrôle myoélectrique de surface et intramusculaire
• Réinnervation musculaire ciblée
• Interfaces nerveuses périphériques (électrodes manchon et intraneurales)
• Stimulation neurale pour la sensation tactile
• Prothèses bidirectionnelles (en boucle fermée)
• Incorporation et contrôle intuitif

Mechanisms

Du côté de la commande, des électrodes de surface ou intramusculaires enregistrent l'activité électromyographique des muscles résiduels, qu'un décodeur associe aux mouvements de la prothèse. La réinnervation musculaire ciblée transfère chirurgicalement des nerfs qui desservaient autrefois le membre perdu sur des muscles disponibles, créant de nouveaux sites de contrôle physiologiquement significatifs qui produisent des signaux myoélectriques plus riches pour les bras multifonctionnels [kuiken-2009] ; les mêmes signaux décodés ont permis de commander une jambe motorisée chez un amputé ayant bénéficié de transferts nerveux [hargrove-2013]. Du côté de la rétroaction, la stimulation électrique via des électrodes nerveuses périphériques peut évoquer des sensations tactiles localisées référées à la main manquante, fournissant des percepts gradués et stables dans le temps [tan-2014] et, lorsqu'elle est couplée à des capteurs sur la main prothétique en temps réel, bouclant la boucle pour un contrôle bidirectionnel [raspopovic-2014]. Des revues cataloguent les modalités de rétroaction — électrotactile, vibrotactile, mécanotactile et neurale directe — utilisées à cette fin [schofield-2014].

Clinical relevance

La restauration d'un contrôle et d'une sensation intuitifs est étudiée comme un moyen de rendre les prothèses plus faciles à utiliser, moins exigeantes cognitivement et plus facilement intégrables à l'image corporelle de l'utilisateur. Des rapports de recherche décrivent un contrôle multifonctionnel plus naturel après réinnervation [kuiken-2009] et une perception tactile restaurée par stimulation nerveuse [tan-2014][raspopovic-2014]. Cette entrée explique les concepts et résume les découvertes ; elle ne constitue pas un guide chirurgical ou clinique, et les techniques décrites sont spécialisées et largement expérimentales.

Evidence & guidelines

Les preuves consistent principalement en des études de petite taille, hautement spécialisées, et des séries de cas démontrant la faisabilité et la preuve de concept [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013], synthétisées par des revues narratives des méthodes de rétroaction [schofield-2014]. De nombreuses approches — en particulier les interfaces nerveuses périphériques directes et les systèmes entièrement bidirectionnels — restent au stade de la recherche plutôt que de la pratique courante, et il n'existe pas de ligne directrice générale de soins standard pour celles-ci.

History

Le contrôle myoélectrique est utilisé en prothétique depuis le milieu du XXe siècle, mais il a longtemps offert des commandes limitées, non intuitives et aucune restitution sensorielle. La réinnervation musculaire ciblée dans les années 2000 a étendu le contrôle intuitif des bras multifonctionnels [kuiken-2009]. Dans les années 2010, la stimulation nerveuse périphérique a commencé à restaurer un toucher gradué et stable [tan-2014] et a été intégrée à des capteurs prothétiques pour créer des mains bidirectionnelles en temps réel [raspopovic-2014], faisant évoluer le domaine du contrôle unidirectionnel vers des interfaces en boucle fermée.

Debates

Interfaces non invasives versus invasives

Le contrôle myoélectrique de surface et la rétroaction cutanée sont non invasifs et moins risqués, mais offrent des signaux plus grossiers, tandis que les interfaces nerveuses et musculaires implantées promettent un contrôle et une sensation plus sélectifs et naturels, au prix d'une intervention chirurgicale et de préoccupations concernant la stabilité à long terme.

La rétroaction sensorielle ajoutée améliore-t-elle la fonction dans le monde réel ?

La sensation restaurée peut améliorer l'incorporation et la performance de certaines tâches dans les études, mais il reste à établir si elle produit des gains fonctionnels durables et généralisables dans l'utilisation quotidienne.

Seminal works

• kuiken-2009
• tan-2014
• raspopovic-2014

Frequently asked questions

Qu'est-ce que la réinnervation musculaire ciblée ?

C'est une procédure chirurgicale qui transfère des nerfs qui contrôlaient autrefois le membre amputé sur les muscles restants. Lorsque l'utilisateur pense à bouger le membre manquant, ces muscles se contractent, produisant des signaux électriques qu'une prothèse myoélectrique peut lire pour un contrôle plus intuitif.

Une main prothétique peut-elle permettre à l'utilisateur de ressentir le toucher ?

Des prothèses de recherche ont restauré le sens du toucher en stimulant électriquement les nerfs périphériques de l'utilisateur selon des schémas liés aux capteurs de la main. Ces systèmes bidirectionnels sont encore largement expérimentaux plutôt que des dispositifs cliniques standards.