Cardiostimulateur neuronal
Chez les humains en bonne santé, la fréquence cardiaque varie au cours du cycle respiratoire, le cœur battant un peu plus rapidement pendant la phase d’inspiration que pendant la phase d’expiration. On appelle arythmie sinusale respiratoire cette variation de la fréquence cardiaque par la respiration, et sa disparition est un signe précoce de maladie cardiaque chronique, telle que les arythmies chroniques ou l’insuffisance cardiaque. Il a été avancé que le rétablissement de la variabilité cardiaque entre deux battements successifs constitue un traitement important pour ces maladies, que les thérapies existantes ne parviennent pas à traiter de manière adéquate. Ainsi, la création d’un dispositif capable de réagir à la rétroaction physiologique de la même manière que les neurones respiratoires pourrait constituer une option thérapeutique précieuse pour les maladies cardiaques chroniques.
Un cardiostimulateur qui reproduit les battements naturels du cœur
Le projet CResPace, financé par l’UE, a mis au point un nouveau cardiostimulateur qui répond à ce paradigme en resynchronisant les ventricules tout en rétablissant l’adaptation de la fréquence cardiaque et des retards des ventricules à la rétroaction physiologique entre deux battements. Le fonctionnement du cardiostimulateur CResPace diffère de celui d’un cardiostimulateur classique qui fournit une stimulation électrique régulière au muscle cardiaque pour maintenir la régularité du rythme cardiaque. La technologie reproduit la fonction des circuits neuronaux situés à la base du cerveau, que l’on appelle «réseaux locomoteurs spinaux», qui contrôlent la respiration et la fréquence cardiaque. «Notre cardiostimulateur resynchronise la contraction des ventricules en réponse aux changements dans les rythmes respiratoires, la concentration en oxygène dans les artères, le dioxyde de carbone artériel et la pression artérielle pour guérir les maladies cardiaques chroniques», explique Alain Nogaret, coordinateur du projet. Pour ce faire, l’équipe a conçu des capteurs de gaz artériel et des capteurs de pression artérielle qui communiquent en temps réel ces informations au cardiostimulateur. Ces capteurs ont été miniaturisés et devraient trouver des applications dans un éventail plus large de dispositifs bioélectroniques destinés à la surveillance et à l’adaptation à la rétroaction physiologique.
Outils informatiques pour apprivoiser la dynamique neuronale
Le conditionnement des circuits neuronaux artificiels en vue d’assurer l’adaptation correcte aux entrées physiologiques représentait un défi de taille ainsi qu’un goulot d’étranglement dans la mise en œuvre de l’électronique neuronale dans les dispositifs bioélectroniques. Pour ce faire, les chercheurs ont élaboré des techniques informatiques sophistiquées qui leur ont permis d’obtenir les paramètres de circuit optimaux pour reproduire l’adaptation du cœur en bonne santé. En plus d’assurer une adaptation correcte, les circuits neuronaux ont la capacité unique de resynchroniser les rythmes biologiques grâce à la réponse non linéaire des neurones. Cette caractéristique unique économise l’énergie du cœur malade et, conjuguée à l’adaptation, permet d’apporter une amélioration majeure à la fonction cardiaque dans les modèles de maladie. «La perspective d’enrayer la progression de ces maladies cardiaques mortelles et de les guérir est une réalisation majeure du projet», souligne Alain Nogaret.
Validation du cardiostimulateur
Le cardiostimulateur a été validé dans son environnement opérationnel, en le chargeant de rétablir la fonction cardiaque et en le plaçant dans une condition de modulation respiratoire dans des modèles de maladie. La prochaine étape du développement du produit consiste à préparer l’utilisation de cette technologie sur l’homme et d’obtenir le marquage CE. Les fondements de cette technologie peuvent être appliqués à d’autres maladies pour rétablir la fonction normale des organes affectés. En outre, l’approche de CResPace prépare le terrain pour l’ingénierie neuromorphique, car elle reproduit fidèlement la dynamique native des neurones sur une puce.
Mots‑clés
CResPace, cardiostimulateur, circuits neuronaux, arythmie sinusale respiratoire, réseaux locomoteurs spinaux
