Comment entraîner le cerveau pour aider les victimes d’un accident vasculaire cérébral ?

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De nombreuses personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral (AVC) ont des difficultés à se mouvoir, même après avoir suivi une thérapie avec les meilleurs experts et méthodes. De nouveaux moyens de rendre la thérapie de l’AVC plus efficace pourraient aider les gens à récupérer plus efficacement. Certains groupes de recherche ont mis au point des systèmes d’interface cerveau-ordinateur (ICC) qui peuvent mesurer le moment où un patient victime d’un AVC imagine un mouvement de la main en enregistrant les ondes cérébrales. Nous avons développé une BCI qui utilise l’activité cérébrale de chaque patient pour contrôler un stimulateur musculaire et un moniteur pendant la thérapie. Les patients recevaient un retour d’information gratifiant pendant la thérapie lorsqu’ils imaginaient correctement un mouvement. Nous avons testé 51 patients, dont certains avaient subi une attaque cérébrale il y a plusieurs années. D’après les résultats des tests standardisés, 42 patients se sont améliorés après la thérapie. Par conséquent, la thérapie basée sur la BCI pourrait aider certains patients victimes d’un AVC. Nous pensons qu’il y aura d’autres avancées dans les prochaines années qui conduiront à des thérapies plus efficaces utilisant les BCI.

Que se passe-t-il dans le cerveau lorsqu’une personne subit un AVC ?

Un accident vasculaire cérébral (AVC) est un type de lésion cérébrale de plus en plus fréquent, car les gens vivent plus longtemps. Un AVC se produit lorsqu’un vaisseau sanguin du cerveau est bloqué ou commence à saigner. Dans les deux cas, certaines parties du cerveau ne reçoivent pas l’apport sanguin dont elles ont besoin, ce qui peut provoquer de graves lésions cérébrales. Après un AVC, il est important que le patient se rende immédiatement à l’hôpital. Les médecins peuvent parfois aider les patients à récupérer d’une partie des lésions cérébrales dans les quelques jours qui suivent l’AVC. Cependant, même avec un traitement hospitalier, de nombreux patients présentent des lésions cérébrales graves et durables et ont besoin d’une thérapie intensive.

Le cerveau se compose de deux moitiés, appelées hémisphères gauche et droit. En général, un AVC n’affecte qu’un seul hémisphère, de sorte que certains survivants d’un AVC ont des difficultés à bouger le côté gauche ou le côté droit du corps. Dans les cas graves, le bras et la jambe du côté gauche ou droit du patient peuvent être complètement paralysés. Dans de nombreux cas plus légers, les patients n’ont des difficultés qu’avec un bras ou une jambe (pas les deux) et peuvent effectuer presque tous les mouvements normalement. L’AVC peut provoquer un autre problème appelé spasticité. Cela signifie que certains muscles sont trop tendus. Les patients peuvent avoir des douleurs, des difficultés à bouger, des mouvements involontaires et d’autres problèmes.

Les difficultés de mouvement peuvent entraîner de nombreux problèmes. Les survivants d’un AVC peuvent ne pas être en mesure de travailler ou de pratiquer leurs sports ou passe-temps favoris. Ils peuvent avoir besoin de l’aide de leurs amis et de leur famille, et ils peuvent avoir des problèmes financiers dus à la perte de leur travail et aux coûts des traitements et des soins. Certains survivants d’un AVC sont mal à l’aise en public car ils pensent que les gens vont se moquer d’eux à cause de leur handicap. Ce ne sont là que quelques-unes des raisons pour lesquelles nous avons besoin des meilleures approches et technologies possibles pour aider les patients victimes d’un AVC à retrouver la capacité de bouger.

Comment les interfaces cerveau-ordinateur peuvent-elles être utilisées pour la thérapie de l’AVC ?

Imaginez un patient victime d’un AVC qui ne peut plus bouger une main. Pour traiter les patients victimes d’un AVC, les thérapeutes demandent souvent au patient d’imaginer ou de tenter certains types de mouvements de la main. Au cours de dizaines de séances de thérapie, cela aide le cerveau à réapprendre à contrôler la main affectée. Une mesure appelée électroencéphalogramme (EEG) est utilisée depuis de nombreuses années pour mesurer l’activité électrique du cerveau [1]. Cette technique utilise de petits disques métalliques appelés électrodes, qui sont placés sur la tête. L’EEG peut nous indiquer quelles zones du cerveau sont actives. Par exemple, en plaçant des électrodes sur les zones du cerveau responsables du mouvement et des sensations, nous pouvons étudier l’activité cérébrale qui se produit lorsqu’une personne bouge ou ressent une sensation.

recoverix rehabilitation of stroke patients setup

L’EEG peut être associé à une interface cerveau-ordinateur (ICO) pour créer un nouveau type de thérapie de l’AVC. Une BCI est un système qui peut fournir un retour d’information en temps réel sur l’activité cérébrale à la personne qui reçoit la thérapie. Le système BCI peut détecter lorsque les patients imaginent les bons mouvements de la main et leur faire savoir si ces mouvements sont corrects. Par exemple, si le patient imagine un mouvement de la main gauche, une main de dessin animé sur l’écran peut imiter ce mouvement, tandis qu’un stimulateur musculaire aide la main gauche à bouger. De cette façon, le patient ne reçoit un retour d’information gratifiant du système que lorsqu’il effectue correctement le mouvement imaginé. Le fait de voir une main de dessin animé bouger tout en sentant sa propre main bouger peut contribuer à motiver les patients et encourager leur cerveau à réapprendre les fonctions motrices. De nombreux autres types de BCI ont été développés. L’utilisation de BCI dans le cadre d’une thérapie post-AVC peut entraîner une augmentation de la plasticité cérébrale, ce qui signifie que le cerveau peut créer de nouvelles connexions qui l’aideront à réapprendre à exécuter certaines fonctions, comme bouger la main sans spasmes ou autres difficultés.

Comment avons-nous réalisé l’étude scientifique recoveriX ?

Nous avons demandé à 51 patients de participer à notre étude. Ces patients étaient âgés de 61 ans en moyenne et ont eu leur AVC en moyenne 37 mois avant l’étude. Certaines personnes pensent que les patients ayant subi un AVC il y a plus de 12 mois ne s’amélioreront probablement pas, mais nous avons émis l’hypothèse contraire.

Les patients ont participé à deux évaluations préalables avant la thérapie. Lors des évaluations préalables, nous avons effectué des tests pour étudier les capacités motrices de chaque patient et d’autres facteurs. Les évaluations préalables ont été effectuées à deux jours différents, séparés par un mois, afin de nous assurer que nous avions une bonne compréhension des capacités des patients avant la thérapie. Ensuite, les patients ont participé à 25 à 31 séances de thérapie BCI avec un thérapeute agréé. Chaque séance durait environ 1 heure, et la plupart des patients ont suivi 2 séances par semaine (Figure 1). Ensuite, nous avons effectué trois évaluations post-thérapeutiques pour étudier l’évolution de chaque patient. La première évaluation a été faite immédiatement après la dernière séance de thérapie, et les autres évaluations ont été faites 1 et 6 mois plus tard.

Figure 1 - In BCI therapy, stroke patients wear an electrode cap and view a monitor where an image, such as moving hands, helps them relearn how to move.
Figure 1 – Dans le cadre de la thérapie BCI, les patients victimes d’un AVC portent un capuchon d’électrode et regardent un moniteur où une image, telle que des mains en mouvement, les aide à réapprendre à bouger. La BCI lit les signaux électriques du cerveau, y compris ceux qui sont liés au mouvement et à la sensation de toucher (zones colorées), et donne au patient un retour d’information sur le moniteur lorsque les mouvements sont exécutés correctement. Des électrodes de stimulation sont également fixées au patient pour l’aider à effectuer chaque mouvement. La thérapie BCI permet d’améliorer les fonctions motrices car les neurones trouvent de nouvelles connexions, grâce à un processus appelé plasticité cérébrale.

Que détecte recoveriX dans le cerveau ?

Nous avons exploré l’effet de la thérapie BCI en mesurant trois facteurs distincts :

    • La précision de la BCI
    • L’activité cérébrale
    • Le mouvement

La précision de la BCI est un moyen de mesurer l’engagement de chaque patient dans les tâches d’imagerie motrice. Une précision élevée de la BCI indique que le patient est attentif aux tâches et imagine correctement les mouvements. Si le patient n’imagine aucun mouvement, la précision du BCI sera d’environ 50 %. Par conséquent, une faible précision peut indiquer que le patient ne participe pas ou n’imagine pas les mouvements correctement. Un thérapeute peut alors coacher le patient pour l’aider à améliorer la précision de la BCI (figure 2A).

Figure 2 - (A) BCI accuracy from therapy sessions 1 through 31 for one patient.

Figure 2 – (A) Précision de la BCI des sessions de thérapie 1 à 31 pour un patient. Au début, la précision de la BCI lors de la classification des mouvements de la main gauche par rapport à ceux de la main droite était de 65 %. La précision s’est améliorée avec les séances de thérapie supplémentaires et a atteint 100 % à la séance 25. (B) Activation cérébrale avant et après 31 sessions de thérapie BCI. La couleur blanche avant la thérapie indique qu’il n’y a pas d’activation cérébrale pour produire des mouvements de la main et des doigts, tandis que la couleur rouge après la thérapie indique une plus grande activation cérébrale. C3 est le nom de la position de l’électrode au-dessus de la zone du cerveau responsable du mouvement de la main droite.

L’activité cérébrale est mesurée tout au long de la thérapie BCI. En général, lors des premières séances de thérapie, les zones de mouvement du cerveau ne travaillent pas ensemble de manière efficace. Au fil des semaines de thérapie, nous constatons souvent que les zones de mouvement du cerveau deviennent beaucoup plus actives (figure 2B). Les couleurs de la figure 2B indiquent l’activation du cerveau à différentes fréquences sur les zones importantes pour le mouvement. L’axe des abscisses indique le moment de chaque essai ; les zones situées plus à droite indiquent les moments ultérieurs de l’essai. L’axe des y reflète les différentes fréquences. Les zones inférieures du graphique correspondent à des fréquences plus faibles (indiquées par la lettre grecque mu) et les zones supérieures du graphique à des fréquences plus élevées (indiquées par la lettre grecque beta).

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L’effet le plus important de la thérapie BCI est d’aider les patients à retrouver le mouvement. La figure 3A montre un outil que les thérapeutes et les scientifiques utilisent pour tester les mouvements du poignet et de la main, appelé Nine-Hole Peg Test parce que le patient doit ramasser neuf petites chevilles et les mettre dans neuf petits trous. Nous avons demandé aux patients d’effectuer ce test avec les deux mains plusieurs fois au cours du processus thérapeutique et nous avons suivi le temps qu’il leur a fallu pour le réaliser. Si la thérapie BCI aidait le patient à retrouver ses mouvements, nous avons constaté une diminution du temps nécessaire au patient pour effectuer ce test au cours des séances de thérapie (figure 3B).

Figure 3 - (A) The Nine-Hole Peg Test can be used to test wrist and hand movement.

Figure 3 – (A) Le test de la cheville à neuf trous peut être utilisé pour tester le mouvement du poignet et de la main. (B) Résultats montrant l’amélioration du mouvement de la main d’un patient pendant la thérapie BCI. Le temps nécessaire pour effectuer la tâche avec la main affectée (droite) est passé de 7 min 26 s au début de la thérapie à 1 min 14 s après 28 thérapies. (C) Résumé de tous les tests de la fonction motrice, combinés, pour tous les patients étudiés. Si la barre est supérieure à zéro, le mouvement a été amélioré après la thérapie. Quarante-neuf patients ont montré des améliorations, tandis que seuls deux patients ont montré une diminution des mouvements (l’un a eu un autre accident vasculaire cérébral et l’autre n’a pas fait attention).

Nous avons utilisé de nombreux tests en plus du test de la cheville à neuf trous pour mesurer la douleur, la spasticité, la concentration, la mémoire et la capacité des patients à effectuer différents mouvements avec et sans aide. Certains tests étaient de simples questionnaires portant sur les activités quotidiennes, par exemple pour savoir si le patient pouvait enfiler un T-shirt sans aide. Nous avons effectué 18 tests avec chaque patient, et un score combiné plus élevé indiquait une plus grande amélioration dans ces tests (Figure 3C). Nos résultats montrent que la thérapie BCI a aidé la plupart des patients à retrouver le mouvement et/ou à réduire la spasticité de leurs mains et de leurs bras. Nous avons constaté que la thérapie fonctionne mieux pour les patients qui obtiennent une précision supérieure à 80 %. La thérapie BCI a même fonctionné plusieurs années après l’AVC du patient. Un patient a participé 31 ans après l’AVC et son état s’est encore amélioré ! Nos résultats indiquent que la thérapie BCI a aidé le cerveau des patients à apprendre à mieux contrôler leurs mouvements.

Jusqu’à présent, notre travail s’est concentré sur la rééducation des bras et des mains. À l’avenir, nous utiliserons la thérapie BCI sur des patients victimes d’un AVC dont les jambes sont touchées, afin d’améliorer leur vitesse de marche. Les accidents vasculaires cérébraux peuvent avoir un impact important sur les personnes à bien des égards, et il est donc nécessaire d’explorer de nouveaux moyens de les aider à se rétablir. Avec des recherches et des développements supplémentaires de notre groupe et d’autres groupes, nous espérons mettre au point de meilleures méthodes et de meilleurs dispositifs thérapeutiques afin que les patients puissent à nouveau effectuer des mouvements pour le travail, le plaisir, les événements sociaux et les activités de la vie quotidienne.

Cet article a été publié dans Frontiers For Young Minds, 1er octobre 2021.

Glossaire

Hémisphères : Les moitiés droite et gauche du cerveau. L’hémisphère gauche contrôle les mouvements du côté droit du corps, et vice versa.
Spasticité : Ce trouble peut se traduire par des spasmes (mouvements involontaires), des muscles raides ou tendus, des douleurs et des réflexes hyperactifs. Les personnes atteintes peuvent avoir des problèmes de posture, de marche, d’activités quotidiennes typiques et d’autres mouvements.
Electroencéphalogramme (EEG) : Mesure de l’activité électrique naturelle produite par le cerveau, obtenue à l’aide d’électrodes placées sur la tête.
Électrodes : Petits capteurs qui détectent l’activité cérébrale. Les électrodes EEG sont généralement de petits disques métalliques montés dans un capuchon, qui ne pénètrent pas la peau et ne causent pas de douleur.
Interface cerveau-ordinateur (ICO) : Système qui utilise des mesures directes de l’activité cérébrale pour assurer la communication et le contrôle en temps réel. La plupart des BCI utilisent l’EEG pour mesurer l’activité cérébrale.
Fonction motrice : La capacité de bouger des parties du corps.
Plasticité du cerveau : La remarquable capacité du cerveau à se modifier pour s’adapter à de nouvelles informations et situations, comme une thérapie. Cette capacité aide les personnes à se remettre d’un accident vasculaire cérébral ou d’autres blessures.