Les personnes qui se sont vues amputées d'un membre peuvent retrouver une partie de leur autonomie et de leur qualité de vie grâce à l'utilisation d'une prothèse adaptée à leurs besoins.Les récentes avancées technologiques dans le domaine de la prothétique laissent entrevoir qu'il sera bientôt possible de commander les mouvements d'une prothèse motorisée à partir de l'interprétation des influx nerveux qui auraient été destinés aux muscles du membre maintenant amputé. Pour ce faire, les impulsions nerveuses seront mesurées par un dispositif totalement implantable et celui-ci devra transmettre en temps réel les données recueillies vers la prothèse à l'aide d'un système de biotélémétrie. Si cette transmission de données requiert une bande passante élevée et une grande qualité du lien de communication, cela se traduira par une consommation énergétique plus élevée. Or, les circuits électroniques du dispositif implanté étant alimentés par une pile, cette consommation énergétique devra être minimisée. Les systèmes actuels de biotélémétrie utilisent le couplage inductif ou les ondes radio afin de transmettre les données, mais ces systèmes ne peuvent rencontrer à la fois les contraintes de faible consommation énergétique et de capacité élevée de transmission qu'impose une prothèse à commande neuronale. Afin d'y parvenir, un système de télémétrie optique transcutané qui utilise les propriétés optiques des tissus cutanés est proposé. Il a été conçu dans le but de transmettre des données à un débit de 16 Mb/s et à un taux de bits erronés de 1E-9 en consommant une puissance de 10 mW. Ce mémoire présente l'impact du taux de transmission des données sur la consommation énergétique du transmetteur, de même qu'une mesure de la puissance requise pour assurer une transmission à travers des tissus cutanés d'épaisseurs variées. La sensibilité du système à un désalignement entre l'émetteur et le récepteur a également été étudiée.

Dans le contexte du handicap, certaines solutions technologiques permettent de pallier des déficiences pour lesquelles la pharmacologie et la chirurgie sont impuissantes. Les neuroprothèses font partie de ces solutions technologiques. Il s'agit de dispositifs s'interfaçant avec le système nerveux (périphérique ou central), soit pour agir sur celui-ci (stimulation électrique fonctionnelle par exemple), soit pour y recueillir des signaux destinés à commander un dispositif extérieur tel qu'une prothèse robotisée.Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans ce second contexte du recueil de signaux neuronaux sur un nerf périphérique. Aujourd'hui, le seul dispositif utilisable de manière chronique sur l'être humain est l'électrode Cuff tripolaire. Celle-ci recueille l'activité globale du nerf et manque singulièrement de sélectivité. Des dispositifs plus sélectifs, comme les électrodes intrafasciculaires, existent, mais présentent l'inconvénient d'être traumatisants pour le nerf et extrêmement délicats à mettre en place. Notre objectif, au cours de ce travail de thèse, a donc été de développer un dispositif associant la sélectivité d'une électrode intrafasciculaire à la faible invasivité d'une électrode Cuff.Nous avons donc commencé par étudier, en simulation, le potentiel d'action extracellulaire d'un axone myélinisé. Nos simulations nous ont permis de mettre en évidence un "phénomène local", évoqué dans plusieurs publications d'expérimentations antérieures à nos travaux et propre aux axones myélinisés, décroissant très rapidement quand augmente la distance de l'axone à l'électrode. Nous avons donc étudié et dimensionné un dispositif simple, spécifiquement sensible à ce phénomène local.A partir de ce dispositif, nous avons proposé une architecture d'électrode extraneurale qui possède un indice de sélectivité très supérieur à celui de la plus sélective des électrodes extraneurales publiées à ce jour.Malheureusement, ce gain en sélectivité se paie par une dégradation du rapport signal sur bruit. Nous avons donc étudié les solutions permettant de réduire le niveau de bruit ramené au niveau de l'électrode, et nous exposons les grandes lignes d'un dispositif électronique d'acquisition multi-voie faible bruit à température ambiante.Enfin, nous avons construit un modèle d'axone artificiel qui nous a permis de valider expérimentalement nos modèles de simulation ainsi que l'existence du phénomène local. / In the context of sensory or motor deficiencies, some technologic solutions can be proposed in case pharmacology and surgery are inefficient. Neuroprostheses are one of these technologic solutions. It consists in devices interfacing the (peripheral or central) nervous system, either acting on it (functional electric stimulation, neuromodulation...), or recording neuro-signals (automated prosthesis control, closed-loop stimulation...).The work presented in this manuscript focuses on the latter, and more precisely, on recording neuro-signals from peripheral nerves. Today, the only implantable device that can be used for chronic recording on human peripheral nervous system is the tripolar cuff electrode.Unfortunately, it is sensitive to the nerve global activity and exhibits a very low selectivity. More selective devices, like intrafascicular electrodes, exist, but has the drawback to be more traumatizing for the nerve.Therefore, the objective of this thesis was to develop a device associating the selectivity of intrafascicular electrode together with the low invasivity of cuff electrode.We thus started to perform simulations of the extracellular action potential of myelinated axons, putting in evidence a "local phenomenon", already described in some previous publications, and decreasing very quickly with the distance. Then, we have designed and studied a simple neural interface based on the characteristics of this local phenomenon, and specifically sensitive to it.The results have allowed us to propose an extraneural electrode, promising a selectivity index far higher than today's state of the art.Unfortunately, the gain in selectivity leads also to the degradation of signal-to-noise ratio. We have thus studied solutions to reduce noise at the electrode interface, and presented the architecture of a low-noise multi-channel acquisition circuit fitting our requirements.Finally, we have built the artificial model of an axon in order to experimentally validate simulation results, as well as the the local phenomenon characteristics.

Les Interfaces Cerveau-Machine assurent une connexion bidirectionnelle entre un patient et son environnement. Un patient atteint de déficience motrice lourde peut, au moyen d'un dispositif implanté dans son cerveau, commander des objets connectés par la seule action de son activité cérébrale. Une des premières exigences que cela requiert est de concevoir un implant, dit neuroprothèse, susceptible de rester implanté de façon chronique. L’utilisation des micro-nano-technologies permet de fabriquer une neuroprothèse qui réponde aux exigences d’un tel dispositif : performant, fiable et limitant la réaction de rejet par l’organisme. Pour cela, l’implant est conçu sur un substrat flexible à base de polymère biocompatible. La souplesse de l’implant lui permet de mieux s’adapter aux tissus cérébraux et d’assurer un contact intime avec les neurones en diminuant la réaction inflammatoire. Cet implant est inséré au moyen d’un support rigide biodégradable issu de la fibroïne de soie. Des premiers tests sur culture in vitro et sur petit animal (souris) ont montré des résultats prometteurs en termes de biocompatibilité et biostabilité sur le court et moyen terme. / Brain-Computer Interfaces ensure a bidirectional connection between a patient and his environment. Using an implant in his brain, a patient suffering from severe motor deficiency can control external devices through the sole action of his cerebral activity. One of the major requirements for such application is to conceive an implant, also called neuroprosthesis, that is able to be implanted for long periods of time.Micro-nano-technology enable the fabrication of a neuroprosthesis that gives in the demands of such item: efficient, reliable and limiting body rejection mechanisms. To that aim, the implant is designed on a flexible substrate provided by a biocompatible polymer. Implant flexibility allows for better compliance with the brain tissues and insures a more intimate contact with the neurons while maintaining minimal inflammation. This implant is inserted in the brain using a bioresorbable support made of silk fibroin. First tests in vitro on culture cells, and in vivo on mice showed promising results in terms of biocompatibility and biostability in the short and medium term.

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est présente depuis des décennies dans les centres de rééducation. Le principe de cette technique est de créer une dépolarisation de la membrane (potentiel d’action) des cellules excitables (axones ou myocytes) entrainant une contraction musculaire. Employée dans la plupart des cas pour le renforcement musculaire et la prévention des atrophies musculaires faisant suite à une lésion de la moelle épinière, la FES peut également être utilisée pour diminuer la spasticité et restaurer des mouvements des membres. Ainsi, certains dispositifs (neuroprothèses) utilisant la FES sont utilisés depuis plus de 25 ans, pour permettre à certains patients atteints de paralysies des membres supérieurs de pouvoir effectuer des préhensions. Les patients gagnent alors en autonomie dans les activités de la vie quotidienne ce qui limite leurs recours aux aides humaines. Cependant, bien que ce type de neuroprothèse se présente comme l’une des techniques les plus prometteuses pour le rétablissement de la fonction de préhension chez des sujets atteints d’une lésion de la moelle épinière, son utilisation reste limitée. En effet, les dispositifs de stimulation externe provoque des mouvements peu précis et les modes de pilote de cette stimulation, peu ergonomiques, ne sont pas accessibles à la plupart des patients lésés médullaires. Ces difficultés sont atténuées lorsque la stimulation est implantée et le mode de contrôle adapté à la pathologie. Parmi les dispositifs implantées, tous utilisent la stimulation des points moteurs pour rétablir des mouvements de main ce qui nécessite l’implantation de nombreuses électrodes et donc une opération chirurgicale lourde. Des complications liées aux matériels implantés peuvent apparaître au cours du temps. Ce travail de thèse propose une approche originale basée sur (i) la stimulation sélective nerveuse (à l’aide d’une électrode gouttière multi contact) pour rétablir des mouvements de préhension chez des patients tétraplégiques et (ii) l’utilisation de signaux émanant de muscles supra lésionnels pour le contrôle de cette stimulation. Des expérimentations humaines et animales réalisées en conditions aiguës ont démontré la faisabilité de notre approche. Ainsi, la stimulation du nerf sciatique par notre électrode gouttière a permis d’activer sélectivement plusieurs muscles antagonistes chez les 5 animaux de l’étude inclus dans l’étude. Une sélectivité intra fasciculaire est retrouvée chez 3 des 5 animaux. La stimulation du nerf médian chez un patient tétraplégique a permis d’activer sélectivement les muscles palmaris longuset flexor carpi radialis. Concernant le contrôle de la neuroprothèse, nous avons mis en évidence chez les 5 sujets tétraplégiques ayant participé aux expérimentations, une combinaison de muscles pouvant être utilisée pour piloter facilement un dispositif. Des contractions continues ou gradées de ces muscles peuvent être maintenues et ce, sans aucun apprentissage ou entrainement préalable. Les modalités de contrôle et les muscles préférentiels sont patient-dépendant. / Functional electrical stimulation (FES) is used for decades in rehabilitation centers. The principle of this technique is to create a membrane depolarization (action potential) of excitable cells (myocytes or axons) to cause a muscle contraction. Used in most cases for muscle strengthening and prevention of muscle atrophy following a spinal cord injury, FES can also be used to reduce spasticity and restore limb movement. For example, some devices (neuroprostheses) using FES are used for over 25 years, to allow some patients with paralysis of the upper limbs to perform hand movements. Patients then becoming more independent in activities of daily living which limits their use of human aid. However, although this type of neuroprosthesis stands as one of the most promising techniques for the recovery of the gripping function in subjects with spinal cord injury, its use is limited. Indeed, external stimulation devices cause imprecise movements and modes of control modes, not very ergonomic, are not accessible to most spinal cord injured patients. These difficulties are alleviated when the stimulation is implanted and control mode adapted to the pathology. Among the implanted devices all use the stimulation of motor pointsto restore hand movements which requires the implantation of many electrodes and therefore a major surgery. Complications related to the implanted materials can occur over time. This thesis proposes an original approach based on (i) selective nerve stimulation (using a multi contact cuff electrode) to restore gripping motion in tetraplegic patients and (ii) use of signals from supra lesional muscles to control this stimulation. Human and animal experimentations performed in acute conditions have demonstrated the feasibility of our approach. Thus, stimulation of the sciatic nerve by our cuff electrode allowed to selectively activate several antagonistic muscles in the 5 animals included in the study. Intra fascicular selectivity was found in 3 of 5 animals. The stimulation of the median nerve of a tetraplegic patient allowed to selectively activate the palmaris longus and flexor carpi radialis muscles. For the control of neuroprosthesis we demonstrated in the 5 tetraplegics subjects who participated in the experiments, a combination of muscles that can be used to easily control a device. Continuous or graded contractions of these muscles can be maintained, without any prior learning or training. The control modalities and preferential muscles are patient-dependent.

Les pathologies du système nerveux central et périphérique, induisent des déficiences motrices ou sensorielles que les méthodes thérapeutiques classiques, chirurgie et médicaments, ne parviennent pas toujours à rééduquer ou suppléer. Depuis longtemps, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) peut activer, moduler ou inhiber les structures nerveuses cibles, neurones ou axones. Les applications les plus spectaculaires sont le pacemaker, la stimulation du cerveau profond (pour traiter les tremblements chez les Parkinsoniens), et l'implant cochléaire.<br /><br />Pour restaurer des fonctions motrices ou sensitives plus complexes comme le mouvement ou la vision, non seulement les neuroprothèses doivent proposer des stimuli aux formes diverses non rectangulaires et commander des électrodes multipolaires, mais aussi doivent se déployer sur un nombre plus important de sites. Ce document décrit ce que je propose comme nouvelle architecture de neuroprothèses implantables pour répondre à ce besoin.<br /><br />Il est aussi indispensable de mieux comprendre le problème posé. La modélisation puis la simulation, la synthèse et la commande de mouvement, et enfin le traitement du signal, apportent des supports théoriques aussi bien pour décrire le système étudié, que pour qualifier et quantifier l'impact des neuroprothèses sur ce système. Je décris quelques résultats dans ce domaine, en particulier sur la modélisation des muscles et les développements théoriques qui en découlent, notamment pour la synthèse et la commande de mouvement chez le blessé médullaire.

Dans le contexte du handicap, certaines solutions technologiques permettent de pallier des déficiences pour lesquelles la pharmacologie et la chirurgie sont impuissantes. Les neuroprothèses font partie de ces solutions technologiques. Il s'agit de dispositifs s'interfaçant avec le système nerveux (périphérique ou central), soit pour agir sur celui-ci (stimulation électrique fonctionnelle par exemple), soit pour y recueillir des signaux destinés à commander un dispositif extérieur tel qu'une prothèse robotisée. Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans ce second contexte du recueil de signaux neuronaux sur un nerf périphérique. Aujourd'hui, le seul dispositif utilisable de manière chronique sur l'être humain est l'électrode Cuff tripolaire. Celle-ci recueille l'activité globale du nerf et manque singulièrement de sélectivité. Des dispositifs plus sélectifs, comme les électrodes intrafasciculaires, existent, mais présentent l'inconvénient d'être traumatisants pour le nerf et extrêmement délicats à mettre en place. Notre objectif, au cours de ce travail de thèse, a donc été de développer un dispositif associant la sélectivité d'une électrode intrafasciculaire à la faible invasivité d'une électrode Cuff. Nous avons donc commencé par étudier, en simulation, le potentiel d'action extracellulaire d'un axone myélinisé. Nos simulations nous ont permis de mettre en évidence un "phénomène local", évoqué dans plusieurs publications d'expérimentations antérieures à nos travaux et propre aux axones myélinisés, décroissant très rapidement quand augmente la distance de l'axone à l'électrode. Nous avons donc étudié et dimensionné un dispositif simple, spécifiquement sensible à ce phénomène local. A partir de ce dispositif, nous avons proposé une architecture d'électrode extraneurale qui possède un indice de sélectivité très supérieur à celui de la plus sélective des électrodes extraneurales publiées à ce jour. Malheureusement, ce gain en sélectivité se paie par une dégradation du rapport signal sur bruit. Nous avons donc étudié les solutions permettant de réduire le niveau de bruit ramené au niveau de l'électrode, et nous exposons les grandes lignes d'un dispositif électronique d'acquisition multi-voie faible bruit à température ambiante. Enfin, nous avons construit un modèle d'axone artificiel qui nous a permis de valider expérimentalement nos modèles de simulation ainsi que l'existence du phénomène local.

86.000 canadiens souffrent de lésions de la moelle épinière, représentant l’une des causes majeures de paralysie. 70% de ces lésions sont partielles, signifiant qu’une partie des voies de communication entre le cortex, important dans la planification, le contrôle et l’exécution de mouvements volontaires, et la moelle épinière, qui les génèrent, reste préservée. Bien que plusieurs études supportent la grande valeur des stratégies ciblant le contrôle supra-spinal en tant qu’approche pour rétablir la marche, la majorité des interventions de réhabilitation n’engagent pas directement le cortex moteur. Afin de pallier ce manque, nous avons développé une neuroprothèse permettant de stimuler électriquement les deux cortex moteur de façon cohérente lors de la marche. Nous avons utilisé un modèle de chat de contusion thoracique (T10) induisant une paralysie transitoire des membres postérieurs et des déficits locomoteurs à long terme, tel que le traînement du pied. Chez n=3 chats, avant et après contusion spinale, nous avons augmenté la réponse motrice évoquée en optimisant l’amplitude, la synchronisation, la durée et le site de la stimulation. Avant et après la contusion spinale, la neuroprothèse corticale a permis de moduler la trajectoire des membres postérieurs durant la locomotion, tel que démontrée par une augmentation significative de la hauteur du pas et de la vitesse de flexion corrélée avec l’augmentation de l’amplitude de stimulation. Après contusion, notre neuroprothèse bi-corticale a permis une réduction de 40% du traînement en comparaison à la locomotion spontanée. Ces données fournissent une preuve de concept que des protocoles de stimulation corticale peuvent être déployés afin d’améliorer la locomotion et pourraient promouvoir la récupération après une lésion médullaire. / 86.000 Canadians suffer from traumatic spinal cord injury (SCI), which is one of the leading causes of paralysis. Most SCIs are “incomplete”, meaning that some connections between the cortex -which is essential for planning, controlling and executing voluntary movements- and the spinal circuits, which generate them, are spared. Despite several studies supporting the concept that targeting supraspinal centers is a valuable approach to restore walking, most rehabilitation interventions do not directly engage the motor cortex. To address this need, we developed a neuroprosthesis that allows timely delivery of stimulation to the motor cortices during locomotion. We used a cat model of thoracic spinal cord contusion (T10) which induces a transient paralysis of both hindlimbs and long-term locomotor impairments, such as foot drag. In n=3 cats, we bilaterally implanted chronic intracortical electrode arrays within the leg representation of the primary motor cortex. Before and after spinal contusion, we enhanced the evoked motor response by optimizing the amplitude, timing, duration and site of stimulation. Both before and after SCI, we modulated the hindlimb trajectory during gait, which was shown by a significant increase in step height and velocity of flexion that correlated with the increase of stimulation amplitude. After SCI, the use of our bi-cortical neuroprosthesis led to a reduction of 40% in foot drag compared to spontaneous locomotion. These data provide a proof of concept that cortical stimulation protocols can be deployed to improve locomotion acutely after SCI and could be used for movement assistance therapies to promote recovery.