CAMBRIDGE, MA - Des chercheurs du MIT ont inventé un nouveau type de chirurgie d'amputation qui peut aider les amputés à mieux contrôler leurs muscles résiduels et à détecter où se trouve leur «membre fantôme» dans l'espace. Ce sens restauré de la proprioception devrait se traduire par un meilleur contrôle des membres prothétiques, ainsi qu'une réduction de la douleur des membres, disent les chercheurs.

Dans la plupart des amputations, les paires de muscles qui contrôlent les articulations touchées, telles que les coudes ou les chevilles, sont sectionnées. Cependant, l'équipe du MIT a constaté que la reconnexion de ces paires de muscles, leur permettant de conserver leur relation push-pull normale, offre aux gens une bien meilleure rétroaction sensorielle.

«Notre étude et les études précédentes montrent que mieux les patients peuvent bouger dynamiquement leurs muscles, plus ils auront de contrôle. Mieux une personne peut actionner les muscles qui bougent sa cheville fantôme, par exemple, mieux elle est en mesure d'utiliser ses prothèses », explique Shriya Srinivasan, postdoc au MIT et auteur principal de l'étude.

Dans une étude qui paraîtra cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, 15 patients ayant bénéficié de ce nouveau type de chirurgie, appelée interface myoneurale agoniste-antagoniste (AMI), pouvaient contrôler leurs muscles plus précisément que les patients ayant subi des amputations traditionnelles. Les patients atteints d'IMA ont également rapporté ressentir une plus grande liberté de mouvement et moins de douleur dans leur membre affecté.

«Grâce à des techniques chirurgicales et régénératives qui restaurent les mouvements musculaires naturels des agonistes-antagonistes, notre étude montre que les personnes ayant subi une amputation d'AMI éprouvent une plus grande amplitude de mouvement de l'articulation fantôme, un niveau de douleur réduit et une fidélité accrue de la contrôlabilité des membres prothétiques», explique Hugh Herr, professeur d'arts et de sciences médiatiques, chef du groupe Biomechatronics au Media Lab et auteur principal de l'article.

Parmi les autres auteurs de l'article, citons Samantha Gutierrez-Arango et Erica Israel, associés principaux de soutien à la recherche au Media Lab; Ashley Chia-En Teng, étudiante de premier cycle au MIT; Hyungeun Song, étudiant diplômé du programme Harvard-MIT en sciences et technologie de la santé; Zachary Bailey, ancien chercheur invité au Media Lab; Matthew Carty, chercheur invité au Media Lab; et Lisa Freed, chercheuse au Media Lab.

Restaurer la sensation

La plupart des muscles qui contrôlent le mouvement des membres se produisent par paires qui s'étirent et se contractent alternativement. Un exemple de ces paires agonistes-antagonistes est le biceps et le triceps. Lorsque vous pliez votre coude, le muscle biceps se contracte, provoquant l'étirement du triceps, et cet étirement renvoie des informations sensorielles au cerveau.

Lors d'une amputation conventionnelle d'un membre, ces mouvements musculaires sont limités, coupant cette rétroaction sensorielle et rendant beaucoup plus difficile pour les amputés de sentir où se trouvent leurs membres prothétiques dans l'espace ou de ressentir les forces appliquées à ces membres.

«Lorsqu'un muscle se contracte, l'autre n'a pas son activité antagoniste, donc le cerveau reçoit des signaux déroutants», explique Srinivasan, un ancien membre du groupe Biomechatronics qui travaille maintenant à l'Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer. «Même avec des prothèses à la fine pointe de la technologie, les gens suivent visuellement la prothèse en permanence pour essayer de calibrer leur cerveau en fonction de l'endroit où le dispositif se déplace.»

Il y a quelques années, le groupe MIT Biomechatronics a inventé et développé scientifiquement dans des études précliniques une nouvelle technique d'amputation qui maintient les relations entre ces paires de muscles. Au lieu de couper chaque muscle, ils relient les deux extrémités des muscles de manière à ce qu'ils communiquent toujours dynamiquement les uns avec les autres dans le membre résiduel. Dans une étude réalisée en 2017 sur des rats, ils ont montré que lorsque les animaux contractaient un muscle de la paire, l'autre muscle s'étirait et renvoyait des informations sensorielles au cerveau.

Depuis ces études précliniques, environ 25 personnes ont subi la chirurgie AMI au Brigham and Women's Hospital, réalisée par Carty, qui est également chirurgien plasticien à l'hôpital Brigham and Women's. Dans la nouvelle étude PNAS, les chercheurs ont mesuré la précision des mouvements musculaires de la cheville et des articulations sous-taliennes de 15 patients ayant subi des amputations d'AMI sous le genou. Ces patients avaient deux ensembles de muscles reconnectés lors de leur amputation: les muscles qui contrôlent la cheville et ceux qui contrôlent l'articulation sous-talienne, ce qui permet à la plante du pied de s'incliner vers l'intérieur ou vers l'extérieur. L'étude a comparé ces patients à sept personnes ayant subi des amputations traditionnelles sous le genou.

Chaque patient a été évalué en position couchée, les jambes appuyées sur un oreiller en mousse, permettant à leurs pieds de s'étendre dans les airs. Les patients ne portaient pas de prothèses au cours de l'étude. Les chercheurs leur ont demandé de fléchir leurs articulations de la cheville - à la fois celle intacte et celle «fantôme» - de 25, 50, 75 ou 100% de leur amplitude de mouvement complète. Des électrodes attachées à chaque jambe ont permis aux chercheurs de mesurer l'activité de muscles spécifiques car chaque mouvement était effectué à plusieurs reprises.

Les chercheurs ont comparé les signaux électriques provenant des muscles du membre amputé avec ceux du membre intact et ont constaté que pour les patients atteints d'AMI, ils étaient très similaires. Ils ont également constaté que les patients ayant subi une amputation par AMI étaient capables de contrôler les muscles de leur membre amputé beaucoup plus précisément que les patients ayant subi une amputation traditionnelle. Les patients avec des amputations traditionnelles étaient plus susceptibles d'effectuer le même mouvement à plusieurs reprises dans leur membre amputé, quelle que soit la distance à laquelle on leur demandait de fléchir la cheville.

«La capacité des patients atteints d'IMA à contrôler ces muscles était beaucoup plus intuitive que ceux avec des amputations typiques, ce qui était en grande partie lié à la façon dont leur cerveau traitait le mouvement du membre fantôme», explique Srinivasan.

Dans un article paru récemment dans Science Translational Medicine, les chercheurs ont rapporté que les scintigraphies cérébrales des amputés AMI ont montré qu'ils recevaient plus de rétroaction sensorielle de leurs muscles résiduels que les patients avec des amputations traditionnelles. Dans le cadre de travaux actuellement en cours, les chercheurs mesurent si cette capacité se traduit par un meilleur contrôle d'une jambe prothétique en marchant.

Liberté de circulation

Les chercheurs ont également découvert un effet qu'ils n'avaient pas anticipé: les patients atteints d'IMA ont rapporté beaucoup moins de douleur et une plus grande sensation de liberté de mouvement dans leurs membres amputés.

«Notre étude n'a pas été spécifiquement conçue pour atteindre cet objectif, mais c'était un sentiment que nos sujets ont exprimé à maintes reprises. Ils avaient une sensation beaucoup plus grande de ce que ressentait réellement leur pied et de la façon dont il se déplaçait dans l'espace », explique Srinivasan. «Il est devenu de plus en plus évident que la restauration des muscles à leur physiologie normale avait des avantages non seulement pour le contrôle prothétique, mais aussi pour leur bien-être mental au quotidien.

L'équipe de recherche a également développé une version modifiée de la chirurgie qui peut être pratiquée sur des personnes ayant déjà subi une amputation traditionnelle. Ce processus, qu'ils appellent «AMI régénératrice», consiste à greffer de petits segments musculaires pour servir de muscles agonistes et antagonistes pour une articulation amputée. Ils travaillent également sur le développement de la procédure AMI pour d'autres types d'amputations, y compris au-dessus du genou et au-dessus et au-dessous du coude.

«Nous apprenons que cette technique de recâblage du membre et d'utiliser des pièces de rechange pour reconstruire ce membre fonctionne et qu'elle s'applique à diverses parties du corps», dit Herr.

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La recherche a été financée par le MIT Media Lab Consortia, l'Institut national de la santé infantile et du développement humain, le Centre national de recherche sur la réadaptation médicale et les programmes de recherche médicale dirigés par le Congrès du ministère américain de la Défense.