Les chercheurs ont développé un système nerveux sensoriel artificiel qui peut traiter des informations similaires à celles du corps humain et qui pourrait effectivement donner un sens du toucher aux membres prothétiques
Notre peau, le plus grand organe du corps, est également le plus important car elle couvre tout notre corps, contrôle notre température corporelle et nous protège des facteurs externes nocifs comme le soleil, les températures anormales, les germes, etc. Notre peau peut s'étirer remarquablement et se réparer. La peau est également importante car elle nous procure un sens du toucher grâce auquel nous pouvons prendre des décisions. La peau est pour nous un système complexe de détection et de signalisation.
Dans une étude publiée dans la revue Science , des chercheurs dirigés par le professeur Zhenan Bao de l'Université de Stanford et de l'Université nationale de Séoul ont mis au point un système nerveux sensoriel artificiel. Cette avancée pourrait constituer une avancée majeure vers la création d'une « peau artificielle » pour les prothèses , capable de restaurer la sensibilité et d'agir comme une peau naturelle. La difficulté majeure de cette étude résidait dans la reproduction fidèle des propriétés uniques de notre peau. La plus complexe à imiter est la manière dont elle fonctionne comme un réseau sensoriel intelligent , transmettant les sensations au cerveau et ordonnant aux muscles de réagir par réflexe pour une prise de décision rapide. Par exemple, une simple pression provoque l'étirement des muscles du coude, et les capteurs de ces muscles envoient un influx nerveux au cerveau via un neurone. Ce neurone transmet ensuite une série de signaux aux synapses concernées. Le réseau synaptique reconnaît ce mouvement brusque d'étirement musculaire et émet simultanément deux signaux. Le premier provoque la contraction réflexe des muscles du coude, tandis que le second est transmis au cerveau pour l'informer de cette sensation. L'ensemble de cette séquence se déroule en une fraction de seconde. Reproduire ces systèmes nerveux sensoriels biologiques complexes, y compris tous les éléments fonctionnels du réseau de neurones, reste un défi.
Système nerveux sensoriel unique qui « imite » le réel
Des chercheurs ont créé un système nerveux sensoriel unique capable de reproduire le fonctionnement du système nerveux humain. Ce « circuit nerveux artificiel », conçu par les chercheurs, intègre trois composants sur une feuille plate et flexible de quelques centimètres. Ces composants ont déjà été décrits individuellement. Le premier est un capteur tactile capable de détecter les forces et la pression (même minimes). Ce capteur (composé de polymères organiques , de nanotubes de carbone et d'électrodes en or) transmet des signaux à un deuxième composant : un neurone électronique flexible. Ces deux composants sont des versions améliorées de ceux développés précédemment par les mêmes chercheurs. Les signaux sensoriels générés et transmis par ces deux composants sont acheminés vers un troisième composant : un transistor synaptique artificiel, modélisé à l'identique des synapses humaines du cerveau. La démonstration de la fonction finale de ces trois composants a constitué le principal défi. Les synapses biologiques réelles transmettent des signaux et stockent les informations nécessaires à la prise de décision. Ce transistor synaptique « exécute » ces fonctions en lui transmettant des signaux électroniques grâce au circuit nerveux artificiel. Ce système artificiel apprend donc à reconnaître et à réagir aux entrées sensorielles en fonction de l'intensité et de la fréquence des signaux de faible puissance, à l'instar d'une synapse biologique dans un organisme vivant. L'originalité de cette étude réside dans l'intégration réussie, pour la première fois, de ces trois composants individuels déjà connus afin de constituer un système cohérent.
Les chercheurs ont testé la capacité de ce système à générer des réflexes et à ressentir le toucher. Dans une expérience, ils ont attaché leur nerf artificiel à une patte de cafard et ont appliqué une petite pression sur leur capteur tactile. Le neurone électronique a converti le signal du capteur en signaux numériques et les a transmis à travers le transistor synaptique. Cela a provoqué une contraction de la jambe du cafard en fonction de l'augmentation ou de la diminution de la pression dans le capteur tactile. Ainsi, cette configuration artificielle a certainement activé le réflexe de contraction. Dans une deuxième expérience, les chercheurs ont montré la capacité du nerf artificiel à détecter différentes sensations tactiles en étant capable de différencier les lettres braille. Dans un autre test, ils ont fait rouler un cylindre sur le capteur dans différentes directions et ont pu détecter avec précision la direction exacte du mouvement. Ainsi, cet appareil est capable d'améliorer la reconnaissance d'objets et le traitement d'informations tactiles fines comme la reconnaissance de texture, la lecture en braille et la distinction des bords des objets.
L'avenir du système nerveux sensoriel artificiel
Cette technologie de nerf artificiel est à un stade très précoce et n'a pas atteint le niveau de complexité requis mais a donné un immense espoir pour la création de revêtements de peau artificiels. Il est clair que de telles « couvertures » nécessiteraient également des dispositifs pour détecter la chaleur, les vibrations, la pression et d'autres forces et sensations. Ils doivent avoir une bonne capacité à s'intégrer dans des circuits flexibles afin de pouvoir s'interfacer efficacement avec le cerveau. Pour imiter notre peau, l'appareil doit avoir plus d'intégration et de fonctionnalités, ce qui le rendra plus stable et fiable.
Cette technologie de nerf artificiel pourrait être une aubaine pour les prothèses et redonner des sensations aux amputés. Les prothèses se sont beaucoup améliorées au cours de l'année avec plus de technologies d'impression 3D disponibles et des systèmes robotiques plus réactifs. Malgré ces améliorations, la plupart des prothèses disponibles aujourd'hui doivent être contrôlées de manière très approximative car elles ne fournissent pas une interface satisfaisante avec le cerveau en raison du manque d'incorporation des subtilités du vaste système nerveux humain. L'appareil ne donne pas de retour et le patient se sent donc très insatisfait et les jette tôt ou tard. Une telle technologie de nerf artificiel, lorsqu'elle est intégrée avec succès dans les prothèses, fournira des informations tactiles aux utilisateurs et contribuera à offrir aux patients une meilleure expérience. Cet appareil est un grand pas vers la création de réseaux de neurones sensoriels ressemblant à la peau pour diverses applications en accordant des pouvoirs de réflexe et de sens du toucher.
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Sources)
Yeongin K et al. 2018. Un nerf afférent artificiel organique flexible bio-inspiré. Science . https://doi.org/10.1126/science.aao0098
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