Amélioration de la sélectivité de la stimulation électrique du système nerveux périphérique basée sur l'utilisation d'électrodes intrafasciculaires et de formes d'ondes non-conventionnelles

Improving the selectivity of peripheral nervous system electrical stimulation using intrafascicular electrodes and non-conventional waveforms

• Auteur / Autrice : Louis Regnacq
• Direction : Olivier Romain, Florian Kölbl, Florian Kölbl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : STIC (Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication) - ED EM2PSI
• Date : Soutenance le 06/09/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipes Traitement de l'Information et Systèmes (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Lissorgues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Romain, Florian Kölbl, Gaëlle Lissorgues, Rochelle Ackerley, David Guiraud, Yannick Bornat, Stanisa Raspopovic, Fabien B. Wagner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rochelle Ackerley, David Guiraud

Mots clés

Mots clés libres

Neuro-Stimulateur

Neuro-Prothèses

Stimulation électrique fonctionnelle

Electrodes intrafasciculaires

Blocage KES

Modélisation hybride

Functionnal electrical stimulation

Neurostimulators

Neuroprosthesis

Intrafascicular electrodes

KES neural conduction block

Hybrid computational models

Résumé

La stimulation électrique du système nerveux, et en particulier du système nerveux périphérique a permis la conception de solutions thérapeutiques et de rééducation fonctionnelle innovantes, améliorant de manière significative la santé et la qualité de vie de nombreux patients. Au sein du système nerveux périphérique, les nerfs sont constitués d'un ensemble de fibres organisées en fascicules sans séparation ni regroupement fonctionnel. De ce fait, la stimulation électrique doit idéalement pouvoir activer une population de fibres désirée sans induire de modification de l'état physiologique des autres fibres, et ce afin de maximiser l'effet thérapeutique en minimisant les effets secondaires.Ces recherches de doctorat s'inscrivent dans le cadre du projet BioTIFS, une collaboration franco-américaine financée par le programme de recherche ‘Collaborative Research in Computational Neuroscience' (CRCNS). Il vise à explorer de nouvelles stratégies de stimulation pour améliorer la sélectivité spatiale et fonctionnelle de la stimulation électrique.En particulier, ce travail explore les possibilités offertes par des électrodes longitudinales intrafasciculaires (LIFEs) et des stratégies de stimulation non-conventionnelles telles que la stimulation haute fréquence pour améliorer et contrôler la sélectivité.La contribution de ce travail s'articule autour de trois axes complémentaires : la conception et le développement du matériel de stimulation, la modélisation in-silico et l'expérimentation in-vivo. Chaque axe de recherche s'appuyant sur les deux autres pour former une approche globale et transdisciplinaire au service de la problématique de recherche.La partie développement de matériel de cette production comprend le développement d'un système de mesure d'impédance portable et open-source dédié à la caractérisation des tissus biologiques et des électrodes implantables. Cet outil s'est avéré particulièrement utile pour caractériser les LIFEs utilisés dans les expériences in-vivo. La caractérisation d'un neurostimulateur dédié à la génération de formes d'ondes arbitraires et non-conventionnelles est également présentée. Les expérimentations in-vivo ont été réalisées au laboratoire Adaptive Neural System de l'Université de l'Arkansas sur des modèles de rongeurs en utilisant le matériel développé et dont la visite de 4 mois a été financée par une bourse Fulbright.La modélisation informatique in-silico est une approche pertinente et complémentaire de l'expérimentation in-vivo pour étudier la sélectivité de la stimulation électrique. Un framework open-source dédié à la modélisation in-silico de la stimulation électrique et développé au cours de ce travail de doctorat est présenté et validé avec des données mesurées in-vivo.Enfin, une caractérisation approfondie in-silico et in-vivo de la stimulation conventionnelle utilisant les LIFEs est présentée, et la faisabilité du blocage sélectif de conduction neurale utilisant une stimulation haute fréquence et des LIFEs est démontrée et caractérisée. La combinaison de la stimulation conventionnelle et du blocage de la conduction neurale pour améliorer la sélectivité de la stimulation est également étudiée.

Electrical stimulation of the peripheral nervous system enables a wide range of therapeutic and functional rehabilitation approaches that significantly improve patients' health and quality of life. The nerves of the peripheral nervous system are made up of bundles of neural fibres organized in fascicles, with no functional separation. Thus, electrical stimulation must selectively recruit the desired fibre population without activating undesirable ones, to achieve a therapeutic result with minimal side effects.This work is part of the BioTIFS project, a Franco-American collaboration funded by the Collaborative Research in Computational Neuroscience (CRCNS) research program, which aims at exploring new stimulation strategies to improve the spatial and functional selectivity of electrical stimulation. This work explores the possibilities of improving stimulation selectivity using longitudinal intrafascicular electrodes (LIFEs) and non-conventional stimulation paradigms such as high-frequency neural conduction block waveforms. The contribution of this work is structured around three complementary research approaches: hardware development, in-silico modelling and in-vivo experiments. Each research axis builds on the other two, forming a comprehensive approach to exploring the research question. Hardware development includes the design of a portable, open-source impedance measurement system dedicated to the characterization of biological tissues and implantable electrodes. This tool has proved to be particularly useful for characterizing the LIFEs used during in-vivo experiments. The characterization of a customized neurostimulator dedicated to the generation of non-conventional arbitrary waveforms is also presented. The in-vivo experiments were carried out at the Adaptive Neural System laboratory of the University of Arkansas on rodent models using the developed hardware, and whose 4-month visit was funded by a Fulbright scholarship. In-silico computational modelling is a relevant and complementary approach to in-vivo experiments for studying the electrical stimulation selectivity. An open-source framework dedicated to in-silico studies developed during this PhD work is presented and validated with in-vivo measurements. Finally, an in-depth in-silico and in-vivo characterization of conventional stimulation using LIFEs is presented, and the feasibility of a selective neural conduction block, using high-frequency waveforms and LIFEs, is demonstrated and characterized. The combination of conventional stimulation and high-frequency block to improve stimulation selectivity is also studied.