La science-fiction rencontre la neuro-réalité : une technologie de pointe pour de meilleurs soins du cerveau
Fusionner le cerveau, l'ordinateur et le comportement
Des progrès ont été réalisés ces dernières années sur les interfaces cerveau-machine (IMC) – une technologie qui fournit un lien de communication direct entre un cerveau et un appareil externe. Elon Musk, pour sa part, a fait la une des journaux dans le monde de l'IMC pour Neuralink . Chez Penn, Timothy H. Lucas, MD, PhD , professeur agrégé de neurochirurgie à la Perelman School of Medicine et codirecteur du Translational Neuromodulation Lab , a aidé à créer le premier appareil IMC de Penn.
La recherche de Lucas se concentre sur le développement de dispositifs implantables qui peuvent restaurer la fonction des patients atteints de paralysie après une lésion ou une maladie cérébrale. Pensez à Christopher Reeve et Stephen Hawking – leur cerveau a cessé de parler à leur corps. Lucas et son laboratoire tentent de restaurer cette voie de communication normale à l'aide d'ordinateurs implantables.
"Lorsque vous avez un appel téléphonique, deux personnes ont une mesure égale, c'est une communication bidirectionnelle - la même chose est vraie pour bouger un bras ou une jambe. Les signaux moteurs du cerveau se déplacent vers la jambe pour la faire se contracter, ou les signaux sensoriels du bout des doigts lorsque vous tenez un stylo envoient un signal au cerveau sur la pression à appliquer et à quel moment. Cette deuxième connexion est appelée sensorielle, et les appareils sur lesquels nous travaillons s'attaquent à ce côté de l'équation », a expliqué Lucas.
La plupart des travaux actuels de Lucas essaient de fournir cette réanimation sensorielle à la main, en contournant les connexions neuronales endommagées. Lui et son équipe ont développé une suite d'implants qui vont dans les doigts. Les implants communiquent avec un appareil que l'on porte comme une montre connectée, qui envoie des informations à un implant cérébral.
Il n'y a vraiment qu'une poignée de groupes qui examinent le côté sensoriel de cette équation, et nous sommes très avancés dans la voie", a déclaré Lucas. « Nous prévoyons de participer à des essais cliniques sur l'homme au cours des prochaines années.
Lucas n'est pas le seul scientifique de Penn à fusionner la technologie avec le cerveau. Brian Litt, MD, professeur de neurologie, de neurochirurgie et de bio-ingénierie, travaille au développement de machines implantées qui réagissent à ce qui se passe dans le cerveau. Il a récemment remporté un Pioneer Award du NIH pour ce travail visant à développer une nouvelle génération de neurodispositifs autonomes capables de nous interroger, d'enregistrer et de combiner des algorithmes d'apprentissage basés sur des signaux neurologiques et des commentaires pour agir et modifier le comportement humain à la volée.
Dans l'épilepsie, par exemple, ces appareils pourraient prédire et prévenir les crises. Ou un implant pourrait améliorer les symptômes psychiatriques en interrogeant les perceptions des patients et en modifiant les schémas de stimulation de manière algorithmique pour les améliorer. Cette nouvelle recherche s'appuie sur les antécédents de Litt en neurologie, ingénierie, neurosciences et ses antécédents dans la construction de nouveaux dispositifs médicaux pour traiter les maladies neurologiques.
Notre comportement est ce qui affecte le plus notre santé, mais nous n'avons aucun retour sur l'impact de nos actions sur nous, car il n'existe actuellement aucun moyen pour les implants de communiquer librement avec nous. Nous travaillons pour résoudre ce problème », a déclaré Litt. Cela représente un changement de paradigme par rapport aux appareils actuels, qui collectent des données au fil du temps, puis fournissent des commentaires aux médecins, qui les transmettent aux patients souvent des mois après des événements importants pour la santé. Malheureusement, cette échelle de temps est généralement trop longue pour que les patients agissent ou même se souviennent de ce qu'ils auraient pu faire pour avoir un impact sur leur bien-être, a déclaré Litt.
Litt considère que cette technologie est applicable à tous les types d'appareils, pas seulement pour le cerveau - pompes à insuline pour le diabète, défibrillateurs pour les maladies cardiaques ou appareils pour la pression artérielle. Son objectif est de créer une génération d'implants réactifs capables de collaborer avec leurs hôtes humains en temps réel, en reliant les sentiments, l'expérience et la perception d'un patient aux algorithmes de la machine et à une thérapie spécifique, voire à la prédiction et à la prévention d'événements tels que les crises avant qu'ils ne commencent.
« Supposez que votre médecin vient de vous donner un nouvel antibiotique et que vous l'ayez pris, mais cela a en fait augmenté votre risque de convulsions. L'appareil pourrait reconnaître cela à partir de vos ondes cérébrales et demander « Qu'est-ce qui vient de se passer ? Votre risque de crise vient d'augmenter », a expliqué Litt. « Vous pouvez ensuite envoyer un SMS à l'appareil indiquant que vous avez pris un nouvel antibiotique. Ensuite, l'appareil peut répondre en vous recommandant de prendre un médicament de secours ou de vous avertir dans une heure si la situation s'aggrave. Cette interaction vous empêcherait non seulement d'avoir une crise, mais vous avertirait afin que vous ne commettiez pas la même erreur à l'avenir.
Visualiser ce qui ne peut pas être vu
Kathryn A. Davis, MD, directrice médicale de l'Unité de surveillance de l'épilepsie et professeure adjointe de neurologie, dirige un effort pour faire progresser l'imagerie afin de détecter les parties difficiles à trouver du cerveau responsables des crises d'épilepsie.
Aux États-Unis, plus de 3 millions de personnes souffrent d'épilepsie , et environ 1 million de ces cas sont résistants aux médicaments , ce qui signifie que les médicaments ne parviennent pas à éviter les crises. Cela peut avoir un impact énorme sur la vie de quelqu'un, dictant si ou comment ils travaillent et dans quel environnement, ou s'ils peuvent conduire.
Cette population est celle que Davis veut le plus aider. "Sur ces patients, beaucoup - environ la moitié - n'ont pas d'anomalies identifiables sur leur imagerie cérébrale, et nous avons travaillé sur le développement d'approches d'imagerie avancées pour trouver ces lésions cachées de manière non invasive", a déclaré Davis.
Si l'épilepsie est résistante aux médicaments, il est important d'être vu par un spécialiste de l'épilepsie dans un centre d'épilepsie complet, comme celui de Penn, pour évaluer pourquoi et s'il existe de meilleures options de traitement. La clé de cette évaluation est l'imagerie avancée, car l'identification de la région du cerveau d'où provient la crise peut dicter la bonne option de traitement.
Certains des patients présentant des sites épileptiques « cachés » qui ne peuvent être vus par la neuroimagerie traditionnelle nécessitent souvent une neurochirurgie invasive pour déterminer leurs meilleures options de soins. Cela implique le placement d'électrodes dans le cerveau pour enregistrer l'activité épileptique avant de décider si elles sont un bon candidat pour un traitement chirurgical ou un dispositif. En mettant au point de nouvelles approches pour trouver des points chauds cachés avec la neuroimagerie non invasive, Davis et son équipe visent à trouver le meilleur traitement pour les patients, qu'il s'agisse de dispositifs de contrôle des crises, de chirurgie résective ou de gestion médicale continue, sans tests invasifs.
Davis et ses collègues ont développé une technique appelée GluCEST, qui permet de voir les crises que d'autres scanners ont manquées en examinant les niveaux de glutamate, le neurotransmetteur excitateur le plus courant dans le cerveau. Davis a également montré que les analyses en réseau des techniques d'imagerie examinant le flux sanguin dans le cerveau et les connexions structurelles dans le cerveau révèlent les régions d'apparition des crises. Ces nouvelles approches d'imagerie ouvriront des portes à de nombreux patients qui n'étaient auparavant pas considérés comme des candidats à des traitements supplémentaires, ce qui permettra de trouver une fois pour toutes les points chauds de leur cerveau provoquant des crises.
Stimuler le cerveau pour la vue
La prochaine frontière de la neurochirurgie est entièrement axée sur la technologie », a déclaré Daniel Yoshor, MD, président de la neurochirurgie. "À l'avenir, la neurochirurgie utilisera de plus en plus la technologie pour s'interfacer avec le cerveau afin de restaurer la fonction.
Le laboratoire de Yoshor puise exactement dans cette philosophie d'avenir. Son laboratoire cherche à comprendre comment les informations visuelles sont traitées dans le cerveau humain. Plus précisément, Yoshor travaille au développement de nouvelles méthodes et technologies pour entrer des informations directement dans le cerveau.
Chez la plupart des patients atteints de cécité acquise, le problème est causé par des dommages aux yeux ou au nerf optique, plutôt qu'à la partie du cerveau qui soutient la vision. La stratégie de Yoshor consiste à contourner les yeux et à diriger les informations directement vers le cerveau. Yoshor a récemment fait un grand pas vers cet objectif grâce à un implant cérébral qui a permis aux sujets du test de visualiser la forme des lettres afin de les identifier.
Ce qui se passe dans les neurosciences aujourd'hui est extraordinaire - il y a eu d'énormes progrès au cours des dernières années et il y a une avalanche d'innovations à venir", a déclaré Yoshor. "Nos efforts sont ambitieux, mais avec les développements en cours dans les neurosciences, l'ingénierie et la technologie informatique, ce n'est plus de la science-fiction.