Appropriation d’une prothèse de membre supérieur chez la souris

Appropriation d'une prothèse de membre supérieur chez la sourisEmbodiment of a forelimb prosthesis in the mouse model

• Auteur / Autrice : Zineb Hayatou
• Direction : Luc Estebanez, Antoine Chaillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Institut des Neurosciences Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté de médecine
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie George
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amaury Francois, Frédérique de Vignemont, Nathanaël Jarrassé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amaury Francois, Frédérique de Vignemont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perception du toucher

Cortex somatosensoriel

Comportement animal

Souris de laboratoire

Appropriation (psychologie)

Optogénétique

Mots clés libres

Appropriation

Illusion de la main en caoutchouc

Optogénétique

Stimulation corticale directe

Modèle souris

Embodiement

Rubber hand illusion

Optogenetics

Direct cortical stimulation

Mouse model

Résumé

Les recherches sur l'appropriation corporelle sont essentielles pour le développement des prothèses. En effet, l'incapacité à s’approprier une prothèse entraîne inconfort et douleurs fantômes chez de nombreux patients. Pour améliorer l'acceptation et l'utilisation des prothèses, il est donc crucial de comprendre et de pouvoir manipuler ce sens d’appropriation. Le modèle souris présente de nombreux avantages pour ces recherches grâce à ses comportements riches de membres supérieurs ainsi qu’aux technologies optogénétiques disponibles d’abord chez ce modèle. Ces techniques permettent une exploration précise du rôle du retour tactile dans l’appropriation des prothèses, et constituent une approche novatrice pour étudier ce phénomène. Dans le cadre de cette thèse j’ai participé à la construction d’un prototype d’une prothèse motorisée à l’échelle de la souris qui peut être contrôlé par l’activité neuronale enregistrée à l’aide d’électrodes chroniques implantées dans le cortex moteur des animaux. L'étude de l’appropriation est particulièrement importante dans le cadre du développement de notre modèle de neuroprothèse, pour comprendre l’interaction de différents éléments sensoriels ou moteurs sur l’intégration d’un membre artificiel. Pour étudier cette question ma thèse s’est focalisée sur l’utilisation de méthodes comportementales exploitant des illusions perceptives pour manipuler l’appropriation de membres. Ainsi, dans l'illusion de la main en caoutchouc, grâce à des stimulations visuelles et tactiles synchrones, les participants s’approprient comme faisant partie de leur corps une fausse main placée devant eux, tandis que leur vraie main reste cachée. Nous avons adapté cette illusion au modèle souris pour explorer le rôle du retour tactile dans l’appropriation des prothèses. Nous avons exposé des souris à ce paradigme, en les plaçant devant une prothèse ressemblant à leur patte, pendant que cette dernière est cachée. Après 2 minutes de stimulations, nous menaçons la patte et observons les réactions des animaux à cette menace avec une analyse automatisée de différents points d’intérêt de la face de l’animal. Les animaux montrent des signes d’appropriation envers la prothèse, démontrant que ce sens peut être étudié à ce niveau chez la souris. Dans le contexte du développement de neuroprothèses, il est nécessaire de pouvoir fournir un retour tactile artificiel aux patients quand le membre en périphérie a été perdu. C’est dans cette optique que nous avons exploré la possibilité d’induire cette illusion via des stimulations corticales des régions sensorielles de la patte par optogénétique. Nous avons d’abord mené une étude d’observation des dynamiques corticales générées par des stimulations de la patte en périphérie en utilisant de l’imagerie calcique. Cela nous a permis d’adapter nos stimulations optogénétiques pour mimer l’entrée sensorielle en périphérie. Nous avons ensuite reproduit notre premier protocole de l’illusion classique en replaçant les stimulations tactiles de la patte par des stimulations directes corticales. Les résultats préliminaires de ces expériences montrent un effet similaire à ce qui a été observé auparavant avec l’illusion classique, montrant la possibilité d’induire l’appropriation d’une prothèse à travers un retour tactile cortical. À terme, ces travaux ont permis de développer une plateforme de recherche chez le modèle souris pour le développement de neuroprothèses et permettront de développer de meilleures stratégies de retour sensoriel, pour un meilleur contrôle et une meilleure appropriation des prothèses chez des patients.

Research on bodily embodiment is necessary for the development of prostheses. Indeed, the inability to embody a prosthesis is a source of discomfort and is accompanied by phantom pain in the residual limbs of many amputees. The mouse model offers many advantages for this type of research due to its rich upper limb behaviours and the availability of optogenetic technologies in this model. These techniques allow for precise exploration of the role of tactile feedback in prosthesis embodiment and represent an innovative approach to studying this phenomenon. As part of this thesis, I contributed to the construction of a motorized prosthesis prototype at the mouse scale, controllable by neuronal activity recorded using chronic electrodes implanted in the animals' motor cortex. The study of embodiment is particularly important in the context of developing a neuroprosthesis model to understand the interaction of various sensory or motor elements on the integration of an artificial limb. To investigate this question, my thesis focused on using behavioural methods, exploiting perceptual illusions to manipulate limb embodiment. For instance, in the rubber hand illusion, synchronous visual and tactile stimulations cause participants to perceive a fake hand placed in front of them as part of their body, while their real hand remains hidden. We adapted this illusion in the mouse model to explore the role of tactile feedback in prosthesis embodiment. We exposed mice to this paradigm by placing them in front of a prosthesis resembling their paw while hiding their actual paw. After 2 minutes of stimulations, we threatened the paw and observed the animals' reactions to this threat using an automated analysis of various points of interest on the animal's face. The animals showed signs of embodiment towards the prosthesis, demonstrating that this sense can be studied at this level in mice. In the context of neuroprosthesis development, it is necessary to provide artificial tactile feedback to patients when the peripheral limb is lost. With this goal in mind, we explored the possibility of inducing this illusion through cortical stimulations of the sensory regions of the paw using optogenetics. We first conducted an observational study of the cortical dynamics generated by peripheral paw stimulations using calcium imaging. This allowed us to adapt our optogenetic stimulations to mimic peripheral sensory input. We then replicated our initial classical illusion protocol by replacing the tactile stimulations of the paw with direct cortical stimulations. The preliminary results of these experiments showed a similar effect to what was previously observed with the classical illusion, indicating the possibility of inducing prosthesis embodiment through cortical tactile feedback. Ultimately, this work led to the creation of a research platform using the mouse model for neuroprosthetic development which could help in providing better sensory feedback strategies for improved control and embodiment of prostheses in patients.