Stimulation bioélectrique à retour objectif

Bioelectrical stimulation with objective feedback

• Auteur / Autrice : Alexia Bailleul
• Direction : Sylvie Renaud, Serge Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 19/04/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Dufour Dabadie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aline Cabasson, Gilles Carnac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Français, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Muscles striés

Muscles -- Fatigue

Diagnostic biologique

Matrices de microélectrodes

Impédance bioélectrique

Stimulation électrique

Mots clés libres

Stimulation électrique

Bioimpédance

MEA

In vitro

Fatigue musculaire

Muscle squelettique

Electrical stimulation

Bioimpedance

MEA

In vitro

Muscle fatigue

Skeletal muscle

Résumé

Les accidents vasculaires cérébraux et les lésions de la moelle épinière sont les deuxprincipales causes de paralysie. Une récupération complète des fonctions motrices n’estpas possible à l’heure actuelle, mais un rétablissement partiel de ces fonctions peut êtreatteint grâce à la stimulation électrique : cette approche permet déjà une améliorationde la qualité de vie de patients en leur rendant une certaine indépendance.La stimulation électrique consiste à exciter des tissus biologiques à l’aide d’un courantélectrique pour activer une réponse physiologique ou motrice. Plus particulièrement,la stimulation électrique fonctionnelle se concentre sur les troubles neuromusculaires etvise à restaurer la motricité. Cependant, les implants présentent encore des limites quiempêchent leur utilisation chronique. La stimulation électrique ne recrée pas fidèlementle fonctionnement du système neuromusculaire : en particulier, elle ne respecte pasl’ordre de recrutement naturel des fibres musculaires et active d’abord les plus largeset les plus fatigables, aboutissant à une fatigue musculaire prématurée.Actuellement, la majorité des systèmes de stimulation fonctionne en boucle ouverte,c’est-à-dire que les paramètres de stimulation sont pré-programmés et ne s’adaptentpas automatiquement à l’état physiologique des tissus stimulés, soit de leur fatigue. Cetype de fonctionnement non-adaptatif limite l’efficacité du système et son utilisation àlong terme.De ce constat émerge le besoin d’un contrôle en boucle fermée, qui nécessite un retourobjectif permettant d’évaluer l’efficacité de la stimulation et d’ajuster ses paramètresen fonction de la fatigue musculaire. Comme phénomène complexe, multifactoriel etdynamique, la fatigue se traduit par diverses altérations physiologiques, métaboliques,mécaniques et électriques.L’objectif de cette thèse est d’établir un marqueur de la fatigue musculaire induitepar stimulation électrique. Ce marqueur se doit d’être objectif, évaluant l’étatphysiologique des tissus musculaires et l’efficacité de la stimulation. Notre choix s’estporté sur la mesure de bioimpédance, qui évalue les propriétés électriques intrinsèquesdes tissus permettant alors de renseigner sur leur état physiologique. Il s’agit d’unemesure électrique rapide, réalisée par l’intermédiaire d’électrodes, déjà présentes dansles systèmes d’électrostimulation. Afin d’identifier un marqueur de la fatigue musculairepar bioimpédancemétrie, nous avons fait le choix d’utiliser un modèle de musclesquelettique in vitro, pour sa simplicité et rapidité de mise en oeuvre pour réaliser unepreuve de concept. Le manuscrit de thèse détaille nos approches et résultats ayantpermis de :• Développer et caractériser deux modèles in vitro de muscle squelettique, respectivementen 2D (sur microelectrode array) et en 3D (mini-muscle autourde piliers PDMS se rapprochant davantage des conditions in vivo). Dans cettedernière configuration, le dispositif combinant stimulation électrique des tissusmusculaires 3D et la mesure de force de contraction a été validé.• Développer et valider l’instrumentation permettant la stimulation électrique etles mesures de bioimpédance sur ces modèles in vitro.• Réaliser la preuve de concept de mesure de fatigue par bioimpédancemétriedans un contexte in vitro 2D.A travers l’application de divers scénarios de stimulation, nous montrons que notresystème est capable d’induire une activité musculaire sur un modèle in vitro 2D, et quecette activité engendre des variations mesurables de la bioimpédance. Des premièresconclusions sont tirées sur la variation de la bioimpédance en fonction des profils destimulation, en vue de valider la capacité de la bioimpédance à être un marqueur de lafatigue. Les travaux à venir viseront à extrapoler ces résultats au modèle in vitro 3Ddéveloppé dans la thèse.

Cerebrovascular accidents and spinal cord injuries are the leading cause of paralysis.While full restoration of motor functions is yet unattainable, partial recovery is madepossible thanks to electrical stimulation : as of today, this approach is already improvingthe quality of life of paralyzed patients and restoring partial independence. Electricalstimulation consists in exciting biological tissues with an electrical current to elicita physiological or a motor response. In particular, functional electrical stimulationfocuses on restoring motor function in neuromuscular disorders. However, modernimplants still have flaws that limit chronic use.Electrical stimulation does not faithfully mimic the function of the neuromuscularsystem : particularly, it does not follow the natural order of recruitment of muscle fibers.Instead, it activates the largest and most-fatigable fibers first, leading to prematuremuscle fatigue. Currently, most electrical stimulation devices operate in open-loop,meaning their stimulation parameters are preprogrammed and do no adjust withrespect to the physiological state of the stimulated tissues (i.e. their fatigue). Thislack of adaptability greatly hinders the efficacy of the system, as well as its long-termusability. This matter motivates the development of closed-loop controlled systems,that will monitor the efficacy of stimulation and adapt their parameters with respect tomuscle fatigue. As a complex, multifactorial, and dynamic phenomenon, muscle fatiguetranslates to diverse physiological, metabolic, mechanical, and electrical alterations.In turn, these affect the passive electrical properties of muscle tissues (conductivity,permittivity), which can be evaluated through bioimpedance measurements.The goal of this thesis is to establish a marker of electrically-induced muscle fatigue.This marker should objectively evaluate the physiological state of muscle tissue andthe efficiency of stimulation. To that end, we use bioimpedance measurements thatevaluate the intrinsic electrical properties of tissue and encode their physiologicalstate. Bioimpedance is a fast electrical measurement, performed thanks to electrodesthat already exist in electrostimulation systems. In this work, we seek to identify abioimpedance-based marker of muscle fatigue on an in vitro skeletal muscle cell model,chosen for its simplicity and rapid deployment towards a proof-of-concept. This thesismanuscript describes our investigations and findings in :• Developing and characterizing two in vitro skeletal muscle models, one in 2D (onmicroelectrode arrays) and the other 3D (muscle organoids cultured on PDMSpillars, closer to in vivo conditions). In the latter, the equipment responsible forboth electrical stimulation of 3D muscle tissue and measurement of contractionforce was validated.• Developing and validating the instrumentation responsible for electrical stimulationand bioimpedance measurements on the in vitro cell models.• Deploying a proof-of-concept of bioimpedance-based measurements of musclefatigue on in vitro 2D muscle cells.Through several stimulation scenarios, we demonstrate that the developed systemis capable of inducing muscle cell activity on an in vitro 2D model that further leadsto measurable effects on bioimpedance. Conclusions are drawn from the measuredbioimpedance variations observed with respect to stimulation patterns, in order tovalidate the ability of bioimpedance to reflect muscle fatigue. From the groundspresented in this thesis, future works will aim at extending the results to the 3D invitro cell model developed at the end of the thesis.