Découverte d’indices pour résoudre les défis scientifiques à l’aide de la technologie neuromorphique

12-12-2022

Une équipe de chercheurs menée par le prof.  Tae-Woo Lee (Département de Matériaux Science et Ingénierie, Université Nationale de Seoul, République de Corée) et le prof. Zhenan Bao (Département d’ Ingénierie Chimique, Université de Stanford, USA) ont réussi à récupérer des mouvements musculaires dans un modèle de souris paralysée par des nerfs artificiels organiques. Les résultats ont été publiés dans le journal international à renommée mondiale ‘Nature Biomedical Engineering’.

Les nerfs, essentiels aux activités vitales de mem qu’ils ont un impact significatif sur la qualité de vie, sont facilement endommagés suite à différentes causes, telles que blessures physiques, causes génétiques, complications secondaires, et le vieillissement. En outre, une fois les nerfs endommagés, il est difficile de les reconstituer, certaines ou toutes leurs fonctions corporelles sont définitivement perdues en raison d’une pauvre bio-signalisation. L'histoire douloureuse de la lésion de la moelle épinière d'une célébrité est parfois racontée dans les médias. Le défi médical des lésions nerveuses, qui a été vécu avec la naissance de l'humanité, est resté un défi scientifique malgré le développement de la médecine et de la biologie drastique, et il ne semble pas y avoir de grand indice dans le futur. Diverses tentatives ont été faites pour traiter les nerfs endommagés, y compris des méthodes chirurgicales et des médicaments, mais les fonctions nerveuses endommagées ou dégénérées restent presque impossibles à récupérer.

Parmi les différentes méthodes de rééducation des patients présentant des lésions neurologiques, la stimulation électrique fonctionnelle (FES), qui est actuellement activement utilisée dans la pratique clinique, utilise des signaux contrôlés par ordinateur. Par ce biais, une stimulation électrique est appliquée aux muscles qui ne sont plus contrôlables de manière arbitraire chez les patients atteints de neuropathie afin d'induire une contraction musculaire, ce qui permet d'obtenir des mouvements fonctionnellement utiles dans le corps biologique, même s'ils sont confinés dans un espace spécifique. Cependant, ces approches conventionnelles présentent des limites : elles ne sont pas adaptées à une utilisation à long terme dans la vie quotidienne des patients, car elles impliquent des circuits numériques complexes et des ordinateurs pour le traitement des signaux afin de stimuler les muscles, ce qui consomme beaucoup d'énergie et entraîne une mauvaise biocompatibilité.

Afin de résoudre le problème, l’équipe de chercheurs a réussi à contrôler le mouvement des jambes de souris seulement avec des nerfs artificiels To solve the problem, the research team succeeded in controlling the leg movement of mice only with artificial nerves sans ordinateur externe complexe et encombrant, à l'aide d'un dispositif neurormorphe à nanofils organiques étirables et de faible puissance qui émule la structure et la fonction des fibres nerveuses biologiques. Le nerf artificiel extensible se compose d'un capteur de contrainte qui simule un propriocepteur qui détecte les mouvements musculaires, d'une synapse artificielle organique qui simule une synapse biologique et d'une électrode en hydrogel pour transmettre les signaux aux muscles de la jambe.

Les chercheurs ont ajusté le mouvement des pattes de la souris et la force de contraction des muscles en fonction de la fréquence de déclenchement du potentiel d'action transmis à la synapse artificielle, selon un principe similaire à celui du nerf biologique. La synapse artificielle permet de réaliser des mouvements de pattes plus fluides et plus naturels que la FES habituelle.

En outre, le propriocepteur artificiel détecte le mouvement de la jambe de la souris et fournit un retour d'information en temps réel à la synapse artificielle afin de prévenir les dommages musculaires dus à un mouvement excessif de la jambe.

Les chercheurs ont réussi à ce qu'une souris paralysée puisse taper dans un ballon ou marcher et courir sur un tapis roulant. En outre, l'équipe de recherche a montré l'applicabilité des nerfs artificiels à l'avenir pour les mouvements volontaires en échantillonnant des signaux préenregistrés du cortex moteur d'animaux en mouvement et en déplaçant les pattes des souris grâce à des synapses artificielles.

Les chercheurs ont découvert une nouvelle possibilité d'application dans le domaine de la technologie neuromorphique, qui attire l'attention en tant que dispositif informatique de nouvelle génération en émulant le comportement d'un réseau neuronal biologique. Les chercheurs ont démontré que le domaine neuromorphique sera utilisé non seulement en informatique mais aussi dans divers domaines tels que l'ingénierie biomédicale et la biotechnologie.

Le professeur Tae-Woo Lee a déclaré : "Les lésions nerveuses sont toujours considérées comme un grand défi scientifique, malgré les progrès remarquables de la médecine, et sans une nouvelle percée, elles resteront un problème difficile à résoudre à l'avenir. Cette recherche constitue une nouvelle avancée dans la lutte contre les lésions nerveuses par une approche technique utilisant la technologie neuromorphique, et non par une approche biomédicale", exprimant l'importance de l'étude. Il a également ajouté : "Une approche d'ingénierie pour surmonter les lésions nerveuses ouvrira une nouvelle voie pour améliorer la qualité de vie des personnes souffrant de maladies et de troubles connexes."

Le professeur Zhenan Bao a souligné le potentiel de l'étude en déclarant : "Grâce au développement de nerfs artificiels extensibles pour les patients souffrant de lésions nerveuses, l'étude a fourni la pierre angulaire de prothèses neurales portables conviviales pour les patients et plus faciles à utiliser dans la pratique, sans tenir compte du facteur de forme existant." Elle s'attend ainsi à ce que "la technologie source du nerf artificiel extensible puisse être appliquée à diverses technologies médicales portables."

À l'avenir, l'équipe de recherche a manifesté sa volonté de poursuivre l'étude en vue d'une application clinique au-delà des primates et des rongeurs tels que les souris. Grâce à cela, il semble possible de présenter de nouvelles solutions et stratégies pour les lésions nerveuses chez l'homme telles que celles de la moelle épinière, les lésions nerveuses périphériques et les lésions neurologiques telles que la SLA, la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington.

Traduction: Eric Kisbulck
Source: Seoul National University
 

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