The bionic arm

Un bras bionique

Un nouveau bras artificiel contrôlé par le cerveau donne aux amputés une dextérité et une liberté sans précédent
30 juillet 2008
Nul doute que Jesse Sullivan, 61 ans, aimerait retrouver ses bras. Faute de quoi, cet ancien électricien monteur de lignes de Dayton, au Tennessee, collabore à la mise au point de ce qui s’en rapproche le plus : un bras artificiel qu’il peut contrôler par la pensée.

Les mouvements sont commandés par le cerveau qui envoie des signaux aux nerfs qui, à leur tour, les relaient automatiquement aux muscles. Pas besoin de penser à décomposer les mouvements quand vient le temps de saisir une poignée de porte ou de soulever une tasse.

Chez les amputés, cette communication intuitive entre cerveau, nerfs et muscles n’existe plus, en partie parce que les prothèses n’offrent que des mouvements limités. Les bras prothétiques actuels ne permettent en effet que de plier le coude, de pivoter les poignets et d’ouvrir et de fermer les mains. C’est ce qui fait que les amputés des membres supérieurs comme Jesse Sullivan ne peuvent retrouver que 3 % des fonctions naturelles de leurs bras.

Toutefois, grâce aux travaux révolutionnaires d’une équipe internationale de chirurgiens et de scientifiques dont fait partie Kevin Englehart, de l’Université du Nouveau-Brunswick, une nouvelle génération de membres artificiels, capables de rétablir la communication intuitive du corps humain, est en train de voir le jour.

Les recherches d’Englehart portent sur l’utilisation des signaux musculaires pour commander les prothèses. Le scientifique participe à deux projets de conception de membres artificiels évolués, financés par la Défense américaine par l’intermédiaire de la Defense Advanced Research Project Agency (DARPA). Le premier, mené à terme en janvier 2008, a donné lieu à une collaboration avec la DEKA Research and Development Corporation de Manchester, au New Hampshire. Ce projet visait à développer un bras artificiel muni d’un minuscule ordinateur logé dans l’avant-bras. L’ordinateur fait office de système de contrôle et utilise des algorithmes pour interpréter les signaux musculaires de l’utilisateur et les transmettre ensuite au membre artificiel, capable d’exécuter un grand nombre de mouvements.

« Nous avons réussi à donner à une épaule, un coude, un poignet et une main une dextérité pratiquement sans précédent », indique Englehart, professeur en génie électrique et informatique et codirecteur de l’Institut d’ingénierie biomédicale de l’Université du Nouveau-Brunswick. « C’est fascinant de les voir bouger. »

Le second projet, toujours en cours, vise à accéder au cortex moteur du cerveau, là où les mouvements tirent leur origine, et aux nerfs périphériques qui descendent dans les membres. Englehart collabore avec des chercheurs de l’Université Johns Hopkins, à Baltimore, et avec l’équipe de la DARPA en vue de développer un membre artificiel qui offrira une dextérité proche de celle du bras humain et pourra percevoir et interpréter des impressions sensorielles comme la texture ou la température. Le deuxième prototype conçu par l’équipe, Proto 2, peut exécuter 27 mouvements et comprend une main dotée de 22 moteurs à chaque articulation. Il a remporté le Popular Mechanics 2007 Breakthrough Award.

Ces progrès ont convaincu Jesse Sullivan, qui a perdu ses bras à la suite d’une décharge électrique de 7 200 volts, d’accorder une seconde chance aux prothèses. Comme bien des amputés, il préférait ne pas en porter, car elles demandaient bien des efforts pour le peu de mouvements qu’elles permettaient. Il devait se servir de ses épaules pour atteindre les commutateurs placés dans les bras afin d’ouvrir et de fermer les mains.

« C’était difficile à utiliser, dit-il. Parfois, je touchais accidentellement le bouton et ma main s’ouvrait. Rien n’était naturel. C’était très frustrant. »

La restauration de la connexion entre le cerveau et les signaux nerveux est maintenant possible grâce aux travaux de pointe d’une équipe de chirurgiens de l’Institut de réadaptation de l’Université de Chicago. Sous la direction du Dr Todd Kuiken, ces médecins transplantent des nerfs prélevés sur une main ou un bras amputé dans les muscles et la peau de la poitrine du patient. Une fois ces nerfs réacheminés et munis d’électrodes, l’ordinateur d’Englehart peut accéder à l’information neurologique qui aurait normalement été transmise au membre par les nerfs.

« Quand vous pensez “fermer la main”, cette partie du muscle se contracte. Nous pouvons utiliser ce signal pour dire à la main artificielle de se fermer, précise Kuiken. C’est un pas de géant en matière de prothétique. »

Le Dr Kuiken, pionnier de ce type de transplantation, a réalisé 18 des 25 interventions du genre qui ont été faites dans le monde. On en a effectué deux à l’Université de l’Alberta cette année. Chirurgiens et chercheurs espèrent que cette chirurgie deviendra la norme pour les amputés.

« Le fait de bénéficier de plus d’options en matière d’emploi et de loisir constitue un avantage économique qui améliorera la qualité de vie de ces personnes », fait valoir Kevin Englehart. Il souligne également le potentiel de cette technologie pour les cas de traumatisme médullaire, d’accident vasculaire cérébral ou même de trouble neurologique affectant le mouvement et la mobilité tel que la maladie de Parkinson.

Jesse Sullivan a subi sa chirurgie en 2002, plus d’un an après l’amputation de ses bras. Il a ensuite collaboré avec Englehart et Kuiken à la programmation de l’ordinateur qui interprète les particularités de son système nerveux et musculaire. C’était un peu comme calibrer un appareil. Il faisait divers mouvements – flexion et extension du coude et du poignet, rotation du poignet, ouverture et fermeture de la main – et l’ordinateur les cataloguait, puis compilait et sauvegardait les modèles mathématiques pertinents. Lorsque le patient essayait de déplacer son bras autrement, l’ordinateur interprétait le mouvement voulu en fonction des modèles déjà compilés, avec une précision de 98 %.

« C’est dans des moments comme ceux-là qu’un scientifique peut crier victoire! » fait observer Todd Kuiken.

Le nouveau prototype « me redonne la liberté perdue, affirme Jesse Sullivan, et je n’ai pas à apprendre comment utiliser le système – c’est le système qui s’adapte à moi! Je crois que d’ici cinq à dix ans, les prothèses seront plus légères, plus rapides et plus faciles d’utilisation. J’aimerais retrouver mes bras, mais comme j’ai besoin de prothèses, ça a été un honneur pour moi de participer à ce projet. »