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Multiscale Modelling of the Neuromuscular System for Closed Loop Deep Brain Stimulation

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Améliorer le contrôle des symptômes chez les patients atteints de la maladie de Parkinson

En promouvant l’utilisation de la stimulation cérébrale profonde en boucle fermée, les chercheurs espèrent améliorer la prise en charge de la maladie de Parkinson.

Santé

La maladie de Parkinson (MP) est une affection neurodégénérative qui touche les cellules nerveuses du cerveau chargées de contrôler les mouvements. Selon l’Association européenne de la maladie de Parkinson (EPDA), environ 10 millions de personnes sont atteintes de cette maladie dans le monde. Bien qu’il n’existe aucun remède à celle-ci, les traitements ne cessent de progresser. Prenons par exemple la stimulation cérébrale profonde en boucle fermée. «La stimulation cérébrale profonde (SCP ou DBS en anglais) est une forme de thérapie qui stimule électriquement les neurones dans les structures profondes du cerveau à l’aide d’électrodes implantées chirurgicalement», explique Madeleine Lowery, ingénieure biomédicale à l’University College Dublin. «La SCP en boucle fermée est une forme avancée proposée de SCP qui perçoit la gravité des symptômes du patient et ajuste la quantité de stimulation en conséquence.» Bien que la SCP en boucle fermée ait le potentiel d’augmenter l’efficacité thérapeutique et de réduire les effets secondaires et les coûts, elle n’est pas encore prête pour une utilisation clinique. «Avant que cette thérapie puisse être utilisée auprès des patients, nous devons d’abord identifier des biomarqueurs appropriés à la surveillance des symptômes et des effets secondaires induits par la stimulation, et mettre au point de nouveaux algorithmes pour contrôler la stimulation en temps réel», explique Madeleine Lowery. C’est là qu’intervient le projet DBSModel, financé par l’UE. «À l’aide de nos modèles informatiques, nous avons conçu et testé de nouvelles stratégies de stimulation cérébrale profonde en boucle fermée, capables de s’adapter à l’évolution des symptômes et des effets secondaires des patients en modifiant divers paramètres de stimulation», explique Madeleine Lowery, chercheuse principale du projet. «Ces approches peuvent maintenant être testées sur des modèles animaux précliniques et sur des patients.»

De nouveaux modèles donnent des résultats importants

Au cœur de ce projet soutenu par le Conseil européen de la recherche (CER) se trouve un nouveau modèle multiéchelle du système neuromusculaire humain. «Le modèle s’étend sur plusieurs échelles spatiales et temporelles et incorpore différents aspects de la biophysique et de la physiologie sous-jacentes impliquées dans la SCP», fait remarquer Madeleine Lowery. «Il s’agit notamment de la distribution du champ électrique autour de l’électrode, de l’effet de la SCP sur les neurones individuels et les réseaux de neurones dans le cerveau, et de son influence sur le tremblement et la génération de force dans le muscle.» Forts de ce modèle, les chercheurs ont développé et testé différentes stratégies de contrôle en boucle fermée de la SCP en utilisant différents biomarqueurs du système nerveux. L’équipe a ainsi pu proposer de nouveaux algorithmes permettant d’ajuster automatiquement les paramètres de la SCP en fonction des biomarqueurs enregistrés. Des expériences ont également été menées avec des participants volontaires atteints de la maladie de Parkinson et avec la SCP. Le but de ces expériences consistait à comprendre comment la maladie de Parkinson et la SCP affectent le comportement des neurones qui pilotent les muscles impliqués dans le contrôle de la motricité fine. Selon Madeleine Lowery, les résultats expérimentaux ont fourni de nouvelles données permettant d’examiner la manière dont l’activité des motoneurones qui contrôlent les muscles évolue avec les médicaments et la SCP. Les modèles informatiques ont permis de mieux comprendre le mécanisme physiologique responsable de ces comportements. Ils peuvent ainsi permettre de mieux comprendre la manière dont la SCP exerce son influence thérapeutique, et aider à concevoir et à tester de nouvelles stratégies de stimulation. «Ces résultats contribueront également à la prochaine génération de dispositifs de neuromodulation en boucle fermée implantés afin d’améliorer le contrôle des symptômes des patients atteints de la maladie de Parkinson», conclut Madeleine Lowery. Elle précise que son équipe prévoit de poursuivre ses recherches, dans le but de jeter les bases d’une application clinique des résultats du projet relatifs à la SCP en boucle fermée. Qui plus est, avec le soutien de la subvention «Proof of Concept» du CER, l’équipe mène déjà des études précliniques en vue d’examiner in vivo l’efficacité des algorithmes de SCP en boucle fermée du projet.

Mots‑clés

DBSModel, maladie de Parkinson, stimulation cérébrale profonde, SCP, cerveau, maladie neurodégénérative, stimulation cérébrale profonde en boucle fermée, biomarqueurs

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