Développement d'interfaces cerveau machine visant à compenser les déficits moteurs chez des patients tétraplégiques. Etudes expérimentales précliniques

par Thomas Costecalde

Thèse de doctorat en Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de Stéphan Chabardès et de Cécile Moro.

Soutenue le 12-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Alim-louis Benabid.

Le jury était composé de Stéphan Chabardès, Cécile Moro, Karim Jerbi.

Les rapporteurs étaient Yvert Blaise, Veronique Sgambato-faure.


  • Résumé

    Interface cerveau-machine pour compenser les déficits moteurs chez des patients ayant des troubles moteurs, avec des implantations chroniques d'électrodes corticales. Etude expérimentale sur animaux. Une interface cerveau-machine (ICM) est définie comme un système de communication qui permet à l'activité cérébrale seule de contrôler des effecteurs externes. L'objectif immédiat des ICM est de fournir des capacités de communication aux personnes gravement handicapées qui sont totalement paralysées par des troubles neuromusculaires, tels que la sclérose latérale amyotrophique, l'accident vasculaire cérébral ou une lésion de la moelle épinière. Des résultats prometteurs (des patients pilotent un joystick grâce à la modulation de leur activité corticale) permettre d'accroître l'espoir dans de futures applications d'ICM avec une matrice de microélectrodes implantées chroniquement à la surface du cortex. Des expériences récentes ont démontré la capacité d'un tétraplégique à contrôler un bras robotisé. Ce travail de thèse contribue aux études précliniques, réalisées en parallèle du développement technique afin de fournir la validation du protocole expérimental chez l'homme par étapes successives. Il permet de développer un dispositif d'enregistrement ElectroCorticoGramme (ECoG) chez des rats, pour l'implanter chez ces animaux et enregistrer leur activité ECoG lors d'expériences comportementales pour contrôler un effecteur externe. Deux types d'études en ligne ont été effectués: le contrôle du distributeur directement par l'activité corticale ou par la combinaison de la tâche motrice (appuyer sur la pédale) et la détection de la signature. Dans les études de contrôle direct par la détection, la Performance Générale (PG) de notre ICM a été de 21,01% ± 4,33 (10 animaux 69 expériences), mais le nombre d'appuis par minute est tombé à 0,57±0,47 rendant plus difficile l'interprétation de ces résultats. C'est pourquoi les expériences, plus complexes, nécessitant l'activation du levier et la détection de signature ont été réalisés. La PG, dans ce cas, est de 37,76% ± 9,64 avec un nombre d'appuis qui a augmenté à 3,24 ± 0,7. La comparaison avec une détection aléatoire nous a permis d'être sûr que ces résultats ne sont pas aléatoires (environ 25-30 fois plus que l'analyse aléatoire). L'une des caractéristiques la plus intéressante de ces expériences est que la zone qui semble en évidence concernée par l'exécution de la tâche motrice est la région du cervelet et non la zone motrice et sensori-motrice, zones qui étaient attendues, comme pour les humains. Un aspect de notre étude sur la neuroplasticité a été de démontrer que la signature, une fois identifiée sur le cervelet, peut être détectée en temps réel dans d'autres régions du cerveau. Nos résultats ont montré une PG de 15,16% ± 3,75 dans 97 expériences faites sur 8 rats. Ces résultats ont montré que l'activité cérébrale en corrélation avec la tâche comportementale, identifiée en premier lieu dans le cervelet, peut être détectée dans une zone différente du cerveau. La caractéristique principale de ce travail de thèse est la démonstration que l'activité neuronale enregistrée en continu au niveau d'une électrode corticale unique peut être efficacement utilisée pour piloter un effecteur avec un degré de liberté, au cours d'expériences longue durant jusqu'à une heure, avec un animal libre de ses mouvements capable de prendre des décisions de manière aléatoire sans indication. Ce travail est une étape déterminante, un premier pas, vers un programme plus vaste visant à fournir un certain niveau de mobilité pour des jeunes patients tétraplégiques.

  • Titre traduit

    Brain computer interface (BCI) for motor deficit compensation in motor disabled patients, with chronic cortical electrodes arrays. Experimental study in animals.


  • Résumé

    Brain computer interface with chronic cortical electrode arrays for motor deficit compensation in motor disabled patients. Experimental study in rodents. A brain-computer interface (BCI) is currently defined as a hardware and software communication system that permits cerebral activity alone to control external devices. The immediate goal of BCI research is to provide communication capabilities to severely disabled people who are totally paralyzed or ‘locked in' by neuromuscular disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis, brain stem stroke, or spinal cord injury. Promising results (patients piloting a joystick through modulation of their cortical activity) increase the hope of BCI with an array of microelectrodes chronically implanted at the cortex's surface, which doesn't exist yet. Recent experiments demonstrated the capacity for a tetraplegic to control a robotic arm. This PhD work contributes to preclinical studies, performed in parallel of technical development to provide validation of the human experimental protocol in successive steps. It contributes to develop ECoG recording device for rats, to implant them in the corresponding animals and record their ECoG activity during freely moving behavioural experiments to control an external effector. Two kinds of on-line studies have been done: the control of the dispenser directly by cortical activity or by the combination of motor task (push the lever) and detection of the signature. In studies of direct control by the detection the Overall Performance (OP) was 21,01%±4,33 (10 animals 69 experiments) but the number of push per minute fell to 0,57±0,47 making more difficult the interpretation of these results. That's why the experiments, more complicated, requiring both lever activation and signature detection have been realized. The OP, in this case, is 37,76%±9,64 with a number of push which increased back to 3,24±0,7. The comparison with random detection permitted us to be sure that these results are not random (around 25-30 fold more than random analysis). One of the most intriguing features of these experiments is that the area which seems prominently concerned by the execution of the motor task is the cerebellar area and not the central, motor and sensorimotor, areas which would be expected, as in human beings. An aspect of our neuroplasticity study has been to demonstrate that the signature, once identified on cerebellum, can be detected in real-time in other areas of the brain. Our results showed an OP of 15,16%±3,75 in 97 experiments done on 8 rats. These results showed that brain activities correlated with behavioural task identified firstly in cerebellum can be detected in a different area of the brain. The main feature of this report is the demonstration that neural activity continuously recorded at the level of one single cortical electrode can be efficiently used to pilot an effector with one degree of freedom, during experiments up to 1 hour, in a freely moving individual making decisions in a random unsupervised manner. This work is a determining first step towards a larger program aiming at providing a certain level of mobility to young cervical spinal-cord injured patients with tetraplegia.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.