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Soirée-débat du 29 septembre 2010 a été présentée par le Professeur Jean Delbeke**


Le Professeur Jean Delbeke a fait une présentation générale de la prothèse visuelle :

  • l'état de la recherche,
  • les perspectives à court et à long terme...


* Cette soirée a été organisée en collaboration avec les Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix à Namur (FUNDP). ** Le Professeur Jean Delbeke travaille au Département de physiologie et pharmacologie de l'Université catholique de Louvain.


Les prothèses visuelles

 

Comme une caméra, l’œil est formé d’une chambre noire dont le fond est tapissé de la rétine. Celle-ci joue le rôle de plaque sensible. A l’entrée de l’œil, on trouve un système optique formé de la cornée et du cristallin. L’image du monde extérieur projetée sur la rétine y est transformée en signaux électriques par des cellules spécialisées, sensibles à la lumière et appelées cônes ou bâtonnets en raison de leur forme. La rétine possède également un réseau d’autres cellules nerveuses qui vont encoder les images avant de les envoyer au cerveau par l’intermédiaire du nerf optique. En fait, après un relai intermédiaire (thalamus, corps genouillé) où les images des deux yeux se rejoignent, les signaux arrivent à la partie postérieure du cerveau, dans une région spécialisée appelée cortex visuel.

Les signaux traités et transportés par les cellules nerveuses, le nerf optique et le cerveau sont en fait constitués de petites impulsions électriques. C’est ainsi que dès 1968, G.S. Brindley avait imaginé un réseau de contacts électriques à appliquer au cerveau visuel de personnes aveugles dans le but de leur transmettre les images d’une camera. A chaque point (appelé pixel) de l’image devaient correspondre des impulsions électriques perçues comme des points lumineux que nous appellerons phosphènes. Effectivement, dans le cortex visuel, les impulsions électriques ne provoquent aucune sensation autre que la perception de phosphènes. Deux volontaires ont été implantés à l’époque. La preuve était faite que l’on pouvait induire des perceptions lumineuses chez une personne aveugle, mais les courants nécessaires pour obtenir un phosphène ne permettaient pas de réaliser une prothèse. Les électrodes disponibles ne pouvaient se placer qu’à la surface du cerveau. Pour stimuler plus efficacement, il aurait fallu des aiguilles pénétrant plus en profondeur, à proximité des cellules. Depuis, de telles électrodes sont à l’étude, avec des réalisations remarquables mais sans arriver encore à un niveau satisfaisant d’efficacité à long terme.

Par la suite, on a découvert que la rétinopathie pigmentaire est une maladie qui provoque la cécité en détruisant progressivement les cônes et les bâtonnets de la rétine tout en épargnant plus ou moins les autres cellules, en particulier, les cellules ganglionnaires qui forment le nerf optique. Dans ces cas, il paraît donc possible d’appliquer les signaux électriques traduisant l’image d’une caméra, au niveau de l’œil ou du nerf optique plutôt que du cerveau. On a d’abord envisagé de remplacer les cônes et les bâtonnets déficients par une version miniature des cellules photovoltaïques comme celles qui récupèrent aujourd’hui l’énergie solaire sur les toits de certaines maisons. Le système implanté aurait ainsi pu remplacer la partie défectueuse de l’œil et il aurait été inutile de recourir à une camera extérieure. Cette approche est souvent qualifiée de sous-rétinienne. Malheureusement, malgré certains progrès, il s’avère difficile de rendre ces systèmes biocompatibles (c’est-à-dire sans effet néfaste pour les tissus dans lesquels ils sont implantés). De plus, l’électricité fournie est insuffisante sans système électronique d’amplification et dans ce cas, il faut ajouter une alimentation électrique, c’est-à-dire apporter une source d’énergie électrique au fond de l’œil. Malgré les difficultés techniques, un certain nombre d’essais très encourageants ont été réalisés, notamment en Allemagne.

Pendant ce temps, d’autres chercheurs se sont intéressés à la possibilité de stimuler directement les cellules ganglionnaires sur le fond de l’œil. Cette approche appelée épi-rétinienne a également rencontré des difficultés. Il faut notamment fixer l’électrode constituée d’une grille portant de très fins contacts électriques sur une rétine très fragile et soumise à des accélérations importantes lors des mouvements de l’œil. De plus, les signaux captés par une camera externe doivent être transmis au système électronique interne. Un autre problème particulièrement difficile à résoudre au niveau de la rétine était celui de la chaleur dégagée par les systèmes électroniques. Malgré toutes ces difficultés, des équipes américaines qui utilisent cette approche ont réussi à obtenir quelques résultats encourageants.

Les projets européens initiés par nos équipes de l’UCL se sont quant à eux lancés dans une voie entièrement différente, basée sur la stimulation du nerf optique. Cette fois, c’est le contrôle du champ électrique appliqué au nerf qui doit permettre d’obtenir des phosphènes différents sans qu’il soit nécessaire de réaliser les très nombreux contacts indispensables dans les autres approches. L’électrode peut être implantée sur le nerf optique soit dans la boîte crânienne, juste derrière l’orbite, soit dans l’orbite elle-même. Le placement intracrânien correspond à une technique neurochirurgicale classique mais représente un acte chirurgical lourd pour le patient. Le placement de l’électrode dans l’orbite est techniquement difficile mais n’implique pas de contact avec un organe aussi délicat que le cerveau, et est bien moins agressive pour le patient.

Nous avons pu collaborer avec deux personnes totalement aveugles en raison d’une rétinite pigmentaire. Chacune a reçu un implant, la première en intracrânien et la seconde dans l’orbite. Dans les deux cas, la chirurgie s’est très bien déroulée et, après quelques semaines de repos, nous avons pu stimuler le nerf optique et obtenir des perceptions lumineuses que ces personnes n’avaient plus eues depuis longtemps.

 

La prothèse qui a été développée et dont de multiples aspects sont aujourd’hui partagés par les autres approches décrites plus haut. L’image ‘électrique’ captée par la camera montée sur une paire de lunettes, est envoyée à un micro-ordinateur portable dont la fonction est de transformer l’image en un message transmis à une antenne elle aussi fixée aux lunettes. Une seconde antenne, implantée sous la peau derrière l’oreille, reçoit les messages mais aussi l’énergie électrique nécessaire à un petit stimulateur implanté sous le scalp de la région pariétale. Les deux antennes, interne et externe, sont maintenues en vis-à-vis grâce à un petit aimant central. Le stimulateur implanté envoie à l’électrode du nerf optique des impulsions électriques correspondant aux messages qui lui ont été envoyés de l’extérieur.

Les phosphènes obtenus chez notre première volontaire permettent de reconstituer des informations visuelles permettant de réaliser en laboratoire des tâches simples telles que reconnaître de grands caractères d’imprimerie ou localiser, identifier et saisir des objets. Des performances semblables sont aujourd’hui obtenues avec les autres approches décrites plus haut. Malheureusement, des résultats aussi favorables ne sont pas obtenus chez tous les volontaires et le temps nécessaire pour compléter un exercice reste beaucoup trop long. Malgré certains résultats impressionnants, aucune tentative de réalisation d’une prothèse visuelle n’a atteint le niveau d’une application clinique, c’est-à-dire présentant une utilité réelle dans la vie quotidienne d’une personne aveugle.

Par contre, ce travail de pionnier a été très riche d’enseignements qui devraient bénéficier directement à l’évolution des techniques dans ce domaine. Ainsi, nous avons pu observer que les voies visuelles souffraient beaucoup plus que prévu du fait de ne pas être utilisées. Ainsi, lorsque les cônes et les bâtonnets disparaissent, toute la chaîne nerveuse qui suit jusqu’au cerveau tend à disparaître définitivement. Au contraire, la chirurgie et la stimulation électrique sont très bien tolérées et peuvent même faire apparaître des améliorations transitoires. Il est possible que la stimulation électrique puisse un jour être utilisée pour entretenir les voies visuelles en bon état en attendant qu’un traitement radical soit appliqué.

De nombreuses années de travail avec nos volontaires nous ont également appris à reconnaître l’importance des mouvements oculaires dans la vision. Notre œil n’est pas seulement une camera qui capte des images mais bien plus une sorte de main avec laquelle nous palpons l’environnement comme le disaient les anciens Grecs. Il faut donc absolument que l’image présentée par une prothèse puisse tenir compte de la position de l’œil.

Le code utilisé par le système nerveux reste un obstacle important. Dans les voies visuelles, les signaux ne sont pas constitués d’une juxtaposition de points formant des images. En stimulant le nerf optique, nous avons pu observer des résultats totalement inattendus sur ce plan et il sera indispensable à l’avenir de tenir compte de ces caractéristiques pour transmettre au cerveau un message significatif. Il existe un mécanisme dit de ‘plasticité’ par lequel le cerveau peut s’adapter à une modification des signaux qui lui sont présentés. Nous avons pu observer de telles modifications mais cela ne veut pas dire que la nature puisse compenser tous les défauts d’une prothèse et, en général, de telles compensations se font au prix d’un ralentissement de l’exécution.

Un dernier point concerne la perception des distances. L’évaluation des distances est en effet essentielle pour permettre à une personne de se déplacer. Or, l’évaluation des distances dépend de caractéristiques très subtiles de la vision comme la convergence binoculaire, l’intensité des couleurs, les ombres, les effets de parallaxe, les superpositions d’images, etc ... Toutes ces caractéristiques sont le fait d’une vision très précise et de loin supérieure à tout ce dont on peut rêver avec les prothèses. On peut donc prévoir que l’information sur les distances devra, pendant longtemps encore, être fournie par des systèmes spécifiques indépendants.

 

En conclusion, il est aujourd’hui évident que l’on peut construire des implants capables de communiquer avec le système nerveux. Même si de rares complications sont toujours possibles, ces systèmes peuvent être parfaitement tolérés et rester actifs pendant des années sans problème majeur. Le danger pour les nerfs n’est pas la stimulation artificielle mais au contraire l’absence d’utilisation de nos organes vivants. D’énormes progrès ont été réalisés récemment dans les domaines techniques permettant de réaliser des électrodes, d’une part, et une électronique de contrôle efficace miniaturisée à l’extrême, d’autre part. Et cette évolution continue. Par contre, des progrès décisifs dans le développement de prothèses visuelles exigeront encore une connaissance des codes utilisés par le système visuel depuis la rétine jusqu’au cerveau visuel. Cette connaissance n’est toujours pas disponible.

Nos propos peuvent sembler pessimistes ou même défaitistes. C’est que pour résoudre les problèmes, il faut d’abord les identifier. Nous croyons en l’avenir, mais tout triomphalisme ne ferait que cacher la route à suivre.

 

Pourquoi tant de temps ?

Certains se demandent pourquoi les prothèses auditives sont aujourd’hui considérées comme un traitement de choix pour certaines formes de surdité alors que le développement de la prothèse visuelle n’en est toujours qu’à quelques balbutiements. La réponse est sans aucun doute que le nerf auditif transporte des signaux qui n’ont subi qu’un traitement élémentaire et assez bien compris. Le nerf optique au contraire n’est pas un nerf à proprement parler mais plutôt une extension du cerveau qui inclut la rétine. Il s’agit là d’une différence importante dans la mesure où, comme expliqué ci-dessus, notre connaissance globale du système nerveux et de la rétine reste très limitée. Il est clair qu’il ne suffit pas d’envoyer au cerveau des phosphènes formant les pixels d’une image. Ces données doivent être encodées de façon appropriée. Or, le code précis nous échappe encore. Une deuxième raison expliquant le retard des prothèses visuelles est que la vision est bien plus complexe que l’audition en ce sens qu’elle associe la perception des mouvements des yeux aux images de la rétine. Enfin, le troisième motif important est d’ordre technique. Les signaux décrivant des images en mouvement (vidéo) sont bien plus volumineux que ceux qui représentent un son (audio). La transmission de ces informations au cerveau sera évidemment proportionnellement plus exigeante.