Lorsque Gyorgy Levay a perdu des parties de ses quatre extrémités, y compris la majeure partie de son bras gauche, à la méningite en 2010, il résolut de tirer le meilleur parti d'une mauvaise situation.

Il maîtrisait ses remplacements prothétiques de pointe. Il a changé l'orientation de ses études supérieures du génie électrique au génie biomédical. Le Hongrois de naissance trouvait même intéressant de voir comment il continuait à ressentir les sensations de la main qu'il ne possédait plus.

Mais comme la plupart des amputés, il sentit que quelque chose manquait. Parce que ses prothèses n'avaient aucun sens du toucher, ils se sentaient pour lui comme des attachements extraterrestres.

Grâce à une équipe de chercheurs de l'Université Johns Hopkins, il a appris ce qu'ils pourraient ressentir s'ils faisaient partie de lui. Levay était le principal sujet volontaire dans une étude de deux ans à l'université qui a doté un membre artificiel de la capacité de ressentir la pression et la douleur.

Dirigé par Luke Osborn et Nitish Thakor, un étudiant diplômé et professeur au département de génie biomédical de Johns Hopkins, l'équipe a développé une forme de « peau électronique » qui enregistre le toucher de la même manière que le corps humain.

Portant cette "peau, " une gaine en tissu et caoutchouc lacée de capteurs que l'équipe a baptisée e-dermis, du bout des doigts de sa main gauche prothétique, Levay ramassa plusieurs petits, objets arrondis, puis a fait de même avec un objet pointu.

Lors du ramassage des objets arrondis, il a ressenti divers niveaux de pression physique; en tenant l'objet pointu, il a ressenti de la douleur.

à Levay, c'était comme si un appendice sans vie – sa main et son bras gauche – étaient en train de renaître.

"Normalement, ma 'main' ressemble un peu à une coquille creuse, " a-t-il déclaré lors d'un entretien téléphonique depuis sa ville natale de Budapest. " Lorsque ces stimulations électroniques ont commencé à se produire, c'était un peu comme remplir un gant d'eau, presque comme s'il se remplissait de vie."

L'expérience a marqué la première fois qu'un amputé pouvait ressentir une gamme de pressions physiques bénignes à travers un appareil prothétique et la première fois qu'il ressentait de la douleur.

"Pour la première fois, une prothèse peut fournir une gamme de perceptions, du toucher fin au toucher nocif, à un amputé, et cela le rend beaucoup plus comme une main humaine, " dit Thakor, le co-fondateur d'Infinite Biomedical Technologies, une petite entreprise basée à Baltimore qui a fourni le matériel prothétique pour l'étude.

Un article sur l'étude est paru dans la revue Robotique scientifique le mois dernier.

Les avancées sont les dernières dans un domaine de recherche qui s'est rapidement développé au cours de la dernière décennie et demie, merci en grande partie au travail effectué chez Johns Hopkins.

Ce n'est qu'il y a environ quatre ans, bien que, que les chercheurs de la Case Western Reserve University à Cleveland et ailleurs ont commencé à prendre des mesures pour imprégner les prothèses tactiles.

Ces chercheurs ont obtenu leurs résultats en fixant des capteurs électroniques sur des membres prothétiques. Ces petits appareils pourraient enregistrer le toucher, le traduire en signaux électroniques et envoyer les signaux à travers un ensemble de fils aux emplacements appropriés dans ce qui restait des membres des utilisateurs.

Chaque expérience pionnière a ses limites, et ceux-ci ne faisaient pas exception. Le processus nécessitait une chirurgie invasive - des électrodes devaient être implantées dans les membres résiduels pour recevoir les signaux et les transmettre à travers le système nerveux - et le travail n'a fourni qu'une gamme étroite de sensations de pression.

L'équipe Hopkins s'est attachée à étoffer la carte des sensations proposées, jusqu'à et y compris la douleur - une catégorie de sentiment qui, toujours désagréable, remplit une fonction de survie cruciale.

"La douleur est une sensation que nous utilisons pour protéger notre corps, " dit Osborn. " Nous pouvons le tenir pour acquis, et nous n'aimons certainement pas toujours ça, mais il sert de système d'alerte, nous aidant à éviter les événements nuisibles.

L'équipe, qui comprenait des membres des départements de génie électrique de Johns Hopkins, génie informatique et neurologie, s'est tourné vers la biologie pour son modèle.

Les cellules réceptrices sensorielles de la peau humaine, ils ont observé, se situent en fait à différents niveaux, avec ceux responsables de la sensation douloureuse (nocicepteurs) principalement près de la surface de la peau et ceux responsables de la détection de la pression (mécanorécepteurs) situés plus profondément.

Pour reproduire ce système, ils ont conçu l'e-derme pour avoir des capteurs disposés en deux couches, au lieu d'un comme les ingénieurs précédents.

Ensuite, le défi consistait à "apprendre" aux capteurs de chaque couche à générer les sensations appropriées à cette couche.

De nouveau, ils se sont tournés vers la biologie.

L'équipe a étudié les fréquences, amplitudes et longueurs d'onde des signaux que le corps envoie normalement lors de la génération de sensations de pression et de douleur. Ensuite, ils ont calibré l'appareil sensoriel pour imiter ces variables.

Osborn a développé cette approche « neuromorphique », c'est-à-dire la création d'une technologie qui imite les modèles biologiques.

"Nous savions à quoi ressemblait une impulsion électrique pour la douleur, ainsi que des impulsions qui véhiculent des informations de pression, texture et ainsi de suite, " a-t-il dit. " Nous avons créé des impulsions similaires et les avons comparées à ce que les sujets perçoivent réellement. "

Le défi suivant consistait à s'assurer que le système était spatialement précis, c'est-à-dire qu'en cas de contact sur l'index prothétique, le cerveau le perçoit comme venant de cet endroit.

Ils y sont parvenus grâce à une « cartographie sensorielle – en sondant chaque centimètre carré du membre résiduel du sujet et en notant où le sujet « sentait » chacun de ces contacts sur sa main « fantôme ».

Le processus a permis à Osborn et à la société de câbler le capteur sur l'index, par exemple, directement au nerf du membre résiduel qui normalement se connecterait au vrai index.

La recherche de Hopkins offre un nouveau bras à une femme de Pennsylvanie, 14 ans après l'amputation

"Ces nerfs qui allaient à ta main sont toujours là, ils ne sont tout simplement plus connectés à la main, " dit Osborn. " En stimulant chacun de ces nerfs, nous activons l'emplacement dans le cerveau qui dit "petit doigt, ' ou 'index, ' ou 'pouce, ' et la sensation devrait idéalement se sentir comme avant l'amputation."

Ayant cartographié les schémas nerveux si précisément, l'équipe a pu éviter l'implantation invasive d'électrodes métalliques dans le membre résiduel.

Ils ont attaché les fils de la prothèse aux emplacements appropriés sur le membre, mais ils l'ont fait à la surface de la peau, un processus qui est beaucoup plus facile sur le sujet.

Levay a dit qu'il appréciait cela à plusieurs niveaux.

Il étudiait le génie biomédical grâce à une bourse Fulbright à Johns Hopkins lorsque Thakor et Osborn ont commencé leurs recherches en 2015.

Parce qu'il était intéressé sur le plan personnel et professionnel, et physiquement à proximité, il a fait le sujet volontaire idéal pour l'étude, qui a été financé par des subventions du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory et du National Institute of Biomedical Imaging and Engineering, une division des National Institutes of Health, entre autres sources.

Le groupe a travaillé avec un certain nombre d'amputés bénévoles au cours de l'étude, mais parce qu'il était constamment disponible pendant des mois, Levay a émergé comme le centre, sujet non nommé de l'article, intitulé "La prothèse avec e-derme neuromorphique multicouche perçoit le toucher et la douleur."

Les expériences ont été douloureuses au début, Levay a dit en riant, alors qu'Osborn cherchait à trouver la bonne adéquation entre les chocs qu'il produisait et les sensations ressenties par Levay.

Plus ils travaillaient ensemble, bien que, plus la corrélation devenait étroite, jusqu'à ce que la seule douleur qu'il ait ressentie pendant les séances vienne lorsqu'il a ramassé l'objet pointu, indiquant que l'expérience avait atteint son objectif.

Cette, il a dit, C'était une douleur qu'il n'était que trop heureux de ressentir.

" L'e-derme ne fonctionne pas encore parfaitement, " Levay a dit, "but it's definitely a step further in bringing sensations back to the hand."

©2018 The Baltimore Sun
Distribué par Tribune Content Agency, LLC.