Modulation neuromodulatrice optogénétique en boucle fermée permet un contrôle musculaire anti-fatigue et de haute fidélité
Contrôle musculaire anti-fatigue haute fidélité réalisé grâce à une neuro-modulation optogénétique en boucle fermée
Contexte de l’étude
Les muscles squelettiques sont les effecteurs biologiques de presque tous les mouvements chez les animaux et les humains. Cependant, dans diverses conditions du système nerveux, le canal de communication entre le système nerveux central et les composants neuromusculaires est coupé, menant ainsi à des troubles du mouvement tels que la paralysie. Les prothèses nerveuses (PN) peuvent remplacer les entrées nerveuses manquantes en délivrant des commandes précises par stimulation artificielle, afin de restaurer la fonction musculaire. Cependant, la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) actuelle, en raison de son mécanisme de recrutement des unités musculaires non physiologique, a du mal à réguler précisément la force musculaire et à éviter la fatigue rapide. Cela pousse les chercheurs à rechercher de nouvelles méthodes de stimulation pour fournir une régulation musculaire progressive fiable et à long terme.
Ces dernières années, la stimulation optogénétique fonctionnelle (SOF), une technique utilisant la lumière pour modifier génétiquement les cellules nerveuses, a montré un potentiel pour recruter les unités motrices de manière séquentielle, offrant une nouvelle stratégie de modulation nerveuse pour les prothèses nerveuses. Cependant, la relation entre les paramètres de stimulation et la génération de force reste à élucider et nécessite des recherches.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par Guillermo Herrera-Arcos, Hyungeun Song, Seong Ho Yeon, Omkar Ghenand, Samantha Gutierrez-Arango, Sapna Sinha et Hugh Herr. Cette recherche relève du K. Lisa Yang Center for Bionics, Media Lab, McGovern Institute for Brain Research, et Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology du MIT. L’article a été publié dans le journal Science Robotics le 22 mai 2024.
Processus et détails de l’étude
Description détaillée des expériences
Cette étude valide la possibilité de réaliser un contrôle de force musculaire haute fidélité et anti-fatigue grâce à la stimulation optogénétique (SOF) au travers de trois expériences principales :
Expérience de stimulation en boucle ouverte : D’abord, les auteurs ont effectué une stimulation en boucle ouverte pour caractériser de manière mécanistique les propriétés de modulation de la force. En comparant la SEF et la SOF, ils ont constaté que cette dernière offrait une précision de modulation de la force plus élevée lors des impulsions à intervalles plus longs et permettait de recruter les unités motrices de manière séquentielle.
Expérience d’identification du système : Ensuite, un signal dynamiquement riche a été utilisé pour stimuler le muscle et mener un programme d’identification du système, décrivant avec précision la dynamique hautement non linéaire de la stimulation optogénétique du muscle. Cela inclut l’élaboration d’un modèle neuromusculaire optogénétique comprenant un modèle biophysique intégrant la non-linéarité statique, le système dynamique de l’opsine et le système dynamique linéaire.
Expérience de contrôle en boucle fermée : Enfin, à partir du modèle précédent, un contrôleur en boucle fermée a été conçu et son efficacité évaluée à court et long terme. Les expériences ont démontré que la SOF dans le contrôle en boucle fermée surpassait la SEF, réalisant un contrôle de la force musculaire haute fidélité et anti-fatigue.
Principaux résultats de l’étude
Phase 1 : Expérience de stimulation en boucle ouverte
Dans l’expérience en boucle ouverte, l’équipe de recherche a révélé les propriétés de modulation de la force de la SOF, caractérisée par un recrutement plus physiologique et une plage de modulation significativement plus grande (plus de 320%) comparée à la SEF. La SOF a montré un comportement mécanique distinct lors de la stimulation proximale et distale, la stimulation distale affichant une génération de force plus soutenue et des valeurs d’état stable plus cohérentes, suggérant que la stimulation optogénétique pourrait être plus adaptée aux parties distales.
Phase 2 : Construction du modèle neuromusculaire
Sur la base des résultats précédents, l’équipe de recherche a développé un modèle biophysique décrivant avec précision la dynamique hautement non linéaire de la stimulation optogénétique des muscles. Le modèle inclut la non-linéarité statique (SNL), le système dynamique de l’opsine (ODS) et le système dynamique linéaire (LDS). En quantifiant les caractéristiques de recrutement de la stimulation optogénétique et électrique, la SOF a montré une résolution plus élevée et une modulation de force plus linéaire.
Phase 3 : Expérience de contrôle en boucle fermée
Les chercheurs ont conçu un contrôleur en boucle fermée incluant des éléments de rétroaction et de feedforward pour évaluer la contrôlabilité de la force musculaire. Les résultats expérimentaux montrent que sous les trajectoires d’onde carrée et sinusoïdale, la SOF avec le contrôleur basé sur le modèle a réalisé des erreurs significativement plus faibles (erreurs respectives de 13.8% et 33.5% pour le groupe SOF-MB), comparé au contrôleur avec seule rétroaction, les performances de régulation du contrôleur basé sur le modèle étaient meilleures. Durant les expériences de stimulation à long terme, la SOF a montré une résistance significative à la fatigue, pouvant continuer à réguler la force pendant 62 minutes, contre environ 15 minutes pour la SEF.
Conclusion et valeur de l’étude
Cette étude propose pour la première fois un cadre complet pour un contrôle musculaire haute fidélité et anti-fatigue via la neuro-modulation optogénétique. La SOF non seulement démontre un mécanisme de modulation de la force plus physiologique, mais possède également des performances exceptionnelles de résistance à la fatigue à long terme, promettant de poser les bases des prothèses nerveuses fonctionnelles et des robots hybrides bio-controlés utilisant l’optogénétique.
Cette recherche propulse nettement le potentiel d’application de la technologie optogénétique dans les prothèses nerveuses et les systèmes hybrides biologiques, mettant en lumière les directions et défis clés pour les recherches futures, en particulier les questions pratiques dans les applications cliniques. Ces découvertes fournissent non seulement de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale en neurosciences et en ingénierie bio, mais ont également une importance cruciale pour le développement de la prochaine génération de prothèses nerveuses haute performance et de systèmes hybrides biologiques !