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Interfacing the neural system to restore deficient functions: From theoretical studies to neuroprothesis design - 05/01/12

Doi : 10.1016/j.crvi.2011.10.006 
David Guiraud
DEMAR team, LIRMM, université Montpellier 2, CNRS, INRIA, 161, rue Ada, 34095 Montpellier cedex 5, France 

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Abstract

Electrical stimulation is a valuable technical solution to treat severe deficiencies related to nervous system. It is particularly interesting when no medical treatment exists as for cardiac deficiencies, deafness, blindness or complete paralysis. However, activating excitable cells such as neurons or muscle fibers to recover functions remains a difficult scientific and technological challenge. Indeed, both the function to restore and the way to activate selectively the desired target are not fully understood. The article describes how both theoretical studies based on experiments, and technological developments based on electrophysiology knowledge may help in the development of highly effective solutions. Existing systems such as pacemakers and cochlear implants proved that the recovered functions are of great quality leading to increase of quality of life and autonomy of the patients. However, the challenge for movement restoration is still in front of researchers, developers and clinical teams. The described method is the way we choose to face fundamental and tremendous scientific questions in order to provide disabled people with extended autonomy.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Résumé

Le principe de la stimulation électrique est connu depuis longtemps et consiste, grâce à un train d’impulsions en courant, à déclencher la naissance de potentiels d’action principalement sur les cellules nerveuses ou musculaires. Ainsi, il est possible de provoquer une contraction dont on peut contrôler l’amplitude, elle-même induisant ou corrigeant un mouvement. Si on stimule un organe sensoriel comme la rétine ou la cochlée, on peut de même évoquer une sensation. Le stimulateur cardiaque et l’implant cochléaire sont les deux représentants les plus spectaculaires de ce que l’on nomme neuroprothèse. En effet, toujours sur ce principe de l’électrostimulation, l’un permet au cœur de continuer à battre régulièrement, tandis que l’autre procure une audition artificielle chez des sourds profonds qui deviennent capables de converser comme des entendants. Dans le cas de la restauration de fonctions motrices, la difficulté est plus grande car il s’agit non seulement d’actionner des muscles paralysés, mais aussi de coordonner l’ensemble de ces activations sur plusieurs muscles, afin d’obtenir un mouvement fonctionnel. Dans ce domaine, les résultats sont très modestes et ne sont, pour la plupart, pas utilisables à grande échelle. En effet, la complexité d’un mouvement fait appel, d’un point de vue théorique, aux principes de l’automatique largement répandus en robotique. Mais, l’activateur musculaire reste bien plus compliqué à contrôler qu’un simple moteur. La modélisation est une des approches qui ouvre la possibilité d’études théoriques vastes et optimales, impossibles à mener de manière uniquement empirique et expérimentale. Par ailleurs, la stimulation nécessite une sélectivité maitrisée des zones du nerf stimulées. En effet, éviter de stimuler les arcs réflexes, activer le muscle cible et voire même le type de fibre du muscle visé (fibres lentes peu fatigables par exemple) sont autant d’enjeux technologiques et de recherches en électrophysiologie qui conduisent à concevoir les neuroprothèses de demain. Cet article montre un aperçu d’une démarche pluridisciplinaire menant à ces objectifs, dont le but premier reste d’améliorer le quotidien des personnes ayant des déficiences sensorimotrices sévères, aujourd’hui sans solution palliative.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Neuroprothesis, Functional electrical stimulation, Sensory motor deficiencies

Mots clés : Neuroprothèse, Stimulation électrique fonctionnelle, Déficience sensorimotrice


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Vol 335 - N° 1

P. 1-8 - janvier 2012 Retour au numéro
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