Témoignage d' un Spécialiste en Robionique vu par Automatesintelligents

Pierre Rabischong
Coordonnateur du projet européen "Lève toi et marche" (SUAW)

Professeur agrégé de médecine à la faculté de Montpellier, Pierre Rabischong est le coordonateur du projet européen "Lève toi et marche" SUAW. Auteur d'un grand nombre de publications, il a notamment écrit l'ouvrage "Le Programme Homme", paru en 2003 aux Presses universitaires de France

Automates-Intelligents (AI) : Comment en êtes vous-venu à ce que vous appelez la "robionique"? Avez-vous choisi ce genre de recherche dès votre arrivée à la Faculté de Médecine de Montpellier, après votre agrégation ?

Pr. Pierre Rabischong (PR) : Effectivement, j'ai eu la chance d'arriver dans un laboratoire où il n'y avait plus d'enseignants universitaires et j'ai eu aussitôt la responsabilité du laboratoire. J'ai été nommé à 33 ans professeur titulaire et chef de service à l'hôpital. Cela m'a débarrassé très tôt de mes soucis de carrière et m'a permis de m'intéresser à la recherche. J'ai compris que je devais disposer d'un outil de recherche et j'ai fait toutes les démarches difficiles mais nécessaires pour obtenir la création en 1971 d'une unité de recherche de l'INSERM, l'unité 103. Celle-ci a été axée sur la biomécanique de l'appareil moteur, c'est-à-dire tout ce qui concerne la mobilité, la préhension, la locomotion. En effet, je m'étais intéressé tôt à la mécanique du corps humain et j'ai rapidement identifié les deux voies sur lesquelles travailler concernant la pathologie motrice, d'une part les amputations et d'autre part les paralysies.
J'ai conduit cette unité de recherche pendant 25 ans, jusqu'en 1995. J'y ai travaillé essentiellement avec des ingénieurs et avec deux chercheurs INSERM qui sont encore avec moi au Centre Propara.

AI : En quoi consiste ce Centre ?

PR : Quand j'ai eu la responsabilité de l'unité de recherche, j'ai pensé que travaillant sur les paralysies, il me fallait un terrain clinique d'application des recherches. J'ai tout fait pour obtenir la création, avec cinq de mes collègues universitaires, d'un centre consacré aux lésions de la moelle épiniére, qui n'existait pas au CHU et dont j'ai rédigé les statuts, le Centre Propara. C'est une association Loi de 1901, liée au service public hospitalier et répondant aux mêmes règles de gestion. Le Centre de 60 lits a été ouvert en 1981. Nous y recevons essentiellement des paralysés médullaires, c'est-à-dire des paraplégiques ayant une lésion de la moelle thoraco-lombaire et des tétraplégiques avec lésions de la moelle cervicale. Ceci m'a donné la possibilité d'une part d'utiliser du matériel cadavérique provenant du laboratoire d'anatomie de la faculté de médecine pour faire des démonstrations biomécaniques sur le corps humain, d'autre part d'appliquer ces recherches dans le domaine clinique grâce à ce centre Propara.

AI : Vous vous êtes donc dès le début beaucoup "remué" pour obtenir des moyens. Mais à quel moment vous êtes vous orienté vers la robotique ?

PR : Très tôt, dans les années 1970. J'ai eu la chance en 1974 de collaborer étroitement avec la Régie Renault qui avait à cette époque une direction des automatismes dirigée par Pierre Pardo en charge de la robotique industrielle destinée aux besoins des usines Renault. J'ai pu à cette occasion effectuer des missions au Japon, où je suis allé par la suite 25 fois. Je suis allé également aux Etats-Unis et j'ai participé à la création de l'AFRI, Association française de robotique industrielle, dont j'ai été un des membres fondateurs. On s'était aperçu, en allant au Japon, que ce pays avait énormément développé les concepts de robotique industrielle et qu'il était bon que la France soit présente dans ce concert.
Nous avons travaillé avec Renault à des recherches relatives à l'organe terminal des robots et nous avons mis au point un certain nombre de dispositifs que nous avons tout de suite appliqués dans le domaine de la pathologie clinique. Ainsi dans le domaine des prothèses de la main, nous avons développé avec la Télémécanique un modèle de prothèse de la main évolué, dite intelligente, dans le sens où elle avait plusieurs types de préhension et des capteurs digitaux pour automatiser la force de prise.

AI : Pourtant, vous ne vous intéressez plus guère à ce type de main aujourd’hui...

PR : En effet. Je me suis rendu compte très rapidement que la prothèse de la main était un des exemples typiques des échecs de la recherche technologique. La main humaine est un organe très complexe, aux nombreux degrés de liberté, avec 6 moteurs pour chacun des doigts et 8 pour le pouce. Ce modèle déjà complexe sur le plan mécanique se double d'une difficulté énorme, le problème du contrôle.
Nous avons constaté rapidement que si on met en place une interface compliquée destinée à commander une prothèse multifonctionnelle de la main, il y a un rejet de la part du malade. Il faut bien se rendre compte que l'homme (comme d'ailleurs l'animal) est une machine extrêmement complexe mais pilotée la plupart du temps par un ignorant. Le traitement des phases d'exécution complexes, dans les conditions de fonctionnement normales, se fait à un niveau inconscient. La conscience de l'individu qui pilote la machine se réduit à un contrôle décisionnel simple. Le sujet se limite à commander des actions, prendre tel objet, aller à tel endroit…il ne se soucie pas des 600 moteurs dont dispose son corps. Il n'a donc pas besoin de connaissances d'ingénierie très poussées qui seraient nécessaires pour faire fonctionner le système s'il ne fonctionnait pas tout seul. L'automatisation biologique reste le maître concept.
La biologie nous permet donc un modèle de pilotage très simple, du type "pousse-bouton" mais avec une très grande complexité en arrière-plan. Ce modèle nous a servi dans toutes les recherches robotiques que nous avons faites, pour essayer de bien comprendre et développer des interfaces de commande simples avec une grande complexité à l'intérieur.

AI : C’est ce que vous avez appelé la robionique ?

PR : Oui. Il s'agissait de compléter un peu le concept de bionique introduit dans les années 1960 par les américains. La robionique combine la robotique, la biologie et l'électronique. Elle repose sur l'utilisation de deux transferts de connaissances. Il y a d'une part celui concernant le passage du vivant à l'artificiel, ce qu'on appelle encore le biomimétisme. Celui-ci vise à s'inspirer de la nature qui réalise des systèmes souvent très miniaturisés, des capteurs ou des systèmes de locomotion à pattes, par exemple… L'autre transfert de connaissances découle de la transposition possible des modes de fonctionnement des robots au vivant afin de comprendre les performances du vivant se déplaçant dans l'espace. Quand on veut piloter un robot dans un espace tri-dimensionnel, il faut évidemment écrire des algorithmes de commande utilisant des équations compliquées. Celles-ci tiennent compte de deux paramètres importants, d'une part l'état des moteurs et d'autre part les angles de chacun des segments. Avec cela, on peut piloter l'organe terminal d'un robot, une pince, un pistolet de peinture, par exemple.
Ceci m'a conduit à transférer cette analyse des problèmes techniques posés par le contrôle dans l'espace d'un robot industriel au corps humain. Bien que celui-ci soit plus complexe que le robot (il y a environ 50 actionneurs musculaires dans le membre supérieur) les problèmes techniques sont les mêmes. Il faut que le cerveau connaisse d'une part l'état des moteurs, c'est-à-dire des 50 moteurs musculaires, d'autre part les angles des articulations.

AI : Comment le modèle robionique vous a-t-il aidé à mieux comprendre le contrôle moteur chez l’homme ?

PR : La commande motrice volontaire consciente est simple et s'exprime toujours en termes de mouvement. Mais il faut à un niveau non perceptible consciemment réaliser un contrôle opérationnel de la bonne exécution de tous les paramètres que je viens d'indiquer. Le système se complique chez l'homme par le fait que les actionneurs musculaires ne sont pas réversibles et ne sont pas linéaires. Les muscles sont des moteurs visco-élastiques qui n'ont pas d'équivalent dans l'industrie. Ils ont également la propriété qui est un avantage de fonctionner sans bruits perceptibles. Mais les muscles n'étant pas réversibles, il faut que, pour chaque degré de liberté activé, deux moteurs entrent en service, un agoniste et un antagoniste. La régulation de ce système pour effectuer un mouvement doit contrôler la rigidité mécanique des actionneurs, ce qui implique une coordination opérationnelle difficile à analyser et plus encore à imiter. Mais nous la connaissons mieux actuellement. Nous savons que dans le système nerveux central de l'homme, il y a toute une série de niveaux de contrôles non pas hiérarchiques mais hétérarchiques, c'est-à-dire organisant des interactions de divers niveaux entre eux permettant la gestion de cette extraordinaire complexité.
Il se trouve que l'homme est très compétitif dans ce qu'il fait. Nous avons réalisé un travail avec la direction des automatismes de la Régie Renault, que nous avons présenté dans un congrès de robotique industrielle au Japon sur le thème "L'homme est-il toujours le meilleur robot ?". On se rend compte qu'effectivement les raideurs mécaniques des segments corporels de l'homme sont faibles par rapport à celles d'un robot industriel, qui a besoin d'une masse importante pour avoir en bout de pince une précision de l'ordre de moins d'un millimètre (certains robots atteignent une précision de l'ordre du micron). Ceci veut dire que l'homme compense ses déficiences relatives en termes d'inertie mécanique et de masse, lesquelles ne peuvent évidemment pas être très importantes puisque embarquées, par une extrême richesse des systèmes d'information et des capteurs. L'homme peut être considéré comme un "robot mou". C'est sur cette problématique que nous avons beaucoup travaillé.
L'homme est en effet un robot mou dont la raideur articulaire est contrôlable et où finalement l'extrême richesse des capteurs et des retours d'informations vers la commande permet une précision importante de fonctionnement. Nous avons beaucoup travaillé, dans mon unité de recherche, sur la main et sur les applications à la préhension. Nous avons ainsi développé avec le CEA des modèles d'analyse et de mesure de la préhension destinés par exemple aux robots télémanipulateurs de l'usine de la Hague, qui requièrent une extrême finesse, afin de transmettre exactement en relation maître-esclave les ordres donnés par la main du technicien.
Finalement, il s'agit de comprendre l'homme mécanique, "l'hommobile", comme je l'ai appelé par analogie avec l'automobile. On se rend compte en définitive qu'il s'agit d'une machine exceptionnelle, qui n'est pas produite à l'identique comme sur les chaînes de montage des automobiles. Il y a en effet beaucoup de variations individuelles, comme par exemple dans la sensibilité de la main qui prend les objets. Un membre supérieur comporte au moins 100.000 conducteurs nerveux, mais ce nombre peut varier individuellement du simple au double et même au triple. L'équipement en capteurs est donc variable d'un sujet à l'autre et cela peut expliquer en grande partie les différences individuelles dans l'habileté et la finesse de doigté.

AI : Quelles suites avez-vous donné à tout cela, et quand ?

PR : Les suites sont venues assez tôt. En 1989, nous avons été conduits à rechercher du financement dans le cadre du programme Eureka. J'ai obtenu les moyens de conduire un projet que j'ai appelé CALIES, Computer Aided Locomotion by Implanted Electro-Stimulation. Autrement dit, j'ai lancé à cette époque là le concept LAO, c'est-à-dire de Locomotion Assistée par Ordinateur. Nous avons essayé d'appliquer tout ce que nous avions acquis au problème des paralysés. Nous nous sommes basés sur un principe, restaurer la locomotion et même aujourd'hui la préhension, en essayant de réutiliser les muscles en dessous de la lésion de la moelle épinière. Dans ce cas, les muscles sont le plus souvent toujours vivants parce que l'unité fonctionnelle formée par un neurone moteur de la moelle et un muscle fonctionne, le muscle étant comme le périphérique du neurone moteur. Mais si celui-ci disparaît, le muscle disparaît aussi.
C'est le cas de la poliomyélite. Si les neurones que nous appelons périphériques, c'est-à-dire commandant directement le muscle, restent opérationnels, les muscles correspondants sont toujours vivants mais se contractent de façon anarchique sous forme de contractures ou de spasticité. Normalement la chaîne motrice comporte un relais central placé dans le cerveau et le cervelet qui actionne et contrôle le relais périphérique médullaire. L'interruption de la commande centrale crée la paralysie C'est cet influx qu'il faut suppléer. De plus, la perte de la sensibilité cutanée complique considérablement le problème, car la peau est le goniomètre de tous les segments corporels et l'absence de retours sensitifs fait vivre les membres du patient paralysé dans une réalité virtuelle.
Compte tenu des propriétés connues du courant électrique, nous avons utilisé l'électro-stimulation pour activer artificiellement les muscles. A partir du moment où on peut activer artificiellement des muscles encore vivants mais qui ne sont plus sous contrôle du patient sur le mode volontaire, une commande artificielle peut prendre le relais. Il s'agit d'une recherche technologique tout à fait passionnante, qui a de fortes résonances robotiques. La robotique moderne nous a appris beaucoup pour concevoir ce que nous avons appelé le "programmeur portable", c'est-à-dire le système informatique qui fait ce que fait le cerveau,en choisissant au bon moment le bon actionneur nécessaire à une action déterminée. Bien entendu, cette voie technologique pour la restauration de la motricité chez les personnes paralysées permet d'obtenir un rendement musculaire maximum des muscles sous lésionnels et elle me paraît la seule voie réaliste actuelle.
En effet,il faut bien comprendre que pour traiter ce problème des paralysés, il y a deux voies possibles, la voie technologique et la voie biologique. La voie biologique essaye de jouer avec les composants biologiques, en particulier avec les neurones, les cellules souches et les cellules gliales type astrocytes. Mais on se rend compte, quand on a pu l'observer, qu'une moelle qui a été sectionnée présente une cicatrice fibreuse très importante. De ce fait, il paraît difficile d'imaginer pouvoir faire pousser des neurones au travers de cette zone fibreuse pour arriver à rétablir la liaison avec les bonnes fibres correspondantes sous lésionnelles. D'ailleurs de façon naturelle, la repousse des fibres nerveuses centrales s'arrête après environ trois semaines par une fibrose induite par les cellules responsables de la formation de la gaine de myéline. Ce processus d'arrêt programmé n'existe pas dans les nerfs périphériques et peut être interprété comme un système d'autoprotection pour éviter les reconnexions chaotiques.

AI : Des chercheurs ont prétendu commencer à obtenir de tels résultats chez le rat en utilisant des cellules souches...

PR : Certes, mais la moelle épinière humaine représente environ un million de conducteurs, ce qui est bien au-delà de ce que l'on trouve chez les rats.
Nous sommes donc pour notre part allés sur l'autre voie technologique. Nous espérons faire mieux encore, c'est-à-dire nous inspirer aussi de la commande des robots qui se fait de plus en plus sur un mode dit intelligent. Ce mode met en œuvre une commande adaptative, avec beaucoup de retours d'informations qui permettent d'ajuster exactement la commande motrice aux conditions d'environnement de l'action.
Il n'est pas pour autant question de transformer l'homme en un robot. C'est la raison pour laquelle nous voulons que le patient reste toujours son propre contrôleur. Pour cela nous avons voulu rétablir le schéma classique, selon lequel l'homme pilote une machine compliquée sans avoir besoin de savoir quoi que ce soit de son hardware. Ceci se traduit chez le vivant, par une interface de commande dite volontaire simple, induisant dans le niveau d'exécution une très grande complexité d'interactions fonctionnelles.
C'est ce que doit faire le module que nous avons appelé "programmeur portable". On y retrouve toute l'intrication nécessaire des commandes nerveuses naturelles, mais la commande donnée au patient reste du type pousse bouton. Le patient appuie sur un premier bouton pour se mettre debout. Avec un second, il peut actionner une séquence de marche préprogrammée que nous essayons de rendre adaptative. Dans ce sens, nous travaillons beaucoup sur les retours d'informations à partir des membres paralysés, qui permettront d'affiner la commande. Nous sommes en train également de développer un nouveau programme appelé Domani avec des équipes italiennes (Demain- deux mains) afin de rétablir la préhension chez des patients tétraplégiques grâce à des électrodes que nous avons appelées intelligentes. En effet, pour actionner un muscle par électro-stimulation, on peut le stimuler au travers de la peau. Les conditions électriques ne sont pas très bonnes avec une intensité de l'ordre de 60 à 100 mA et l'impédance est très élevée et variable. On peut aussi le stimuler directement en mettant des électrodes au contact du point moteur (électrodes dites épimysiales) ou mieux encore le stimuler par l'intermédiaire du nerf musculaire, avec une intensité qui peut être très faible, de 0,5 à 1 milliampère.

AI : C’est la voie que vous avez choisie ?

PR : Oui. Le seul problème que nous ayons actuellement est que le système SUAW nécessite une implantation chirurgicale des électrodes. Celles ci sont reliées par des fils à un implant électronique qui assure la gestion de la distribution et qui reçoit lui-même par radiofréquence l'énergie électrique.
Ce système avec des fils à l'intérieur du corps comporte des risques évidents. Nous les avons expérimentés avec deux patients, l'un ayant un bon succès depuis 5 ans et l'autre ayant eu une infection imposant de retirer tout le système implanté. Nous cherchons à supprimer cet inconvénient grâce à des électrodes intelligentes, qui suppriment les fils venant d'un implant placé à l'intérieur du corps.
On met sur l'électrode toute l'électronique de stimulation et de communication, de telle façon qu'on peut piloter l'électrode de l'extérieur par radio-fréquence - ce qui a déjà été fait en partie par l'équipe de Gerald Loeb à Toronto. Nous essayons actuellement de développer et d'améliorer cette approche. Chaque électrode activant un muscle particulier sera séparée du reste. En cas d'infection sur une électrode, il ne sera pas nécessaire d'enlever tout le système. De plus, nous continuons d'utiliser l'endoscopie pour la mise en place des électrodes, ce qui est une méthode très prometteuse et moins invasive.
Plus généralement, nous comptons bien utiliser tous les progrès faits actuellement en robotique, d'où notre collaboration avec le groupe de robotique franco-japonais de Philippe Coiffet, très précieuse pour nous.

AI : Que pensez-vous des électrodes implantées directement dans le cerveau de singes et visant à recueillir directement l’influx nerveux à partir de la zone motrice cérébrale... sans parler du Pr Kevin Warwick(1) ?

PR : Tout d'abord, il faut se rendre compte que plus on avance dans le temps, plus on légifère sur les risques médicaux. On voudrait le risque zéro, ce qui empêche de se lancer dans des opérations acrobatiques où les risques ne sont pas du tout nuls. C'est nécessaire comme le fait la loi de mon ami Claude Huriet de protéger les patients, mais cela bloque les recherches ou les challenges teintés d'un peu d'aventure. Nous ne pouvons pas, en ce qui nous concerne, aller plus loin que ce que nous faisons, dans des domaines où les risques sont en principe bien maîtrisés. Par contre, il n'est pas évident que l'acte invasif consistant à mettre des électrodes dans le cerveau donne de meilleurs résultats que ce que nous faisons, puisque nous envoyons l'influx moteur directement sur le nerf musculaire sans risque pour le cerveau du patient. L'implant cérébral n'a d'intérêt que dans les cas extrêmes du Lockin syndrom, où le patient est complètement isolé du monde extérieur et n'a aucune possibilité de manifester son intention de commander quelque chose par un signal biologique contrôlable. Mais un patient tétraplégique au cerveau intact peut contrôler par un signal de son choix, voix, mouvement des yeux, mouvement articulaire, des dispositifs d'assistance robotisés plus ou moins efficaces.
Les implants cérébraux sont utiles dans le cas de l'expérimentation animale pour comprendre comment fonctionne la zone de commande cérébrale, mais ils ne me paraissent pas avoir un grand avenir thérapeutique. Actuellement les "brain computer interfaces" sont très à la mode, mais il est clair que plus on avancera en médecine, moins on ira vers l'invasif. Pour ce qui est du traitement de la maladie de Parkinson, le problème est différent, car les électrodes profondes implantées dans le cerveau donnent des résultats cliniques très encourageants. En moins invasif, les américains ont utilisé une commande par l'électro-encéphalogramme de la main d'un tétraplégique activée par électrostimulation, mais sur le plan pratique il est beaucoup plus logique et efficace de le faire avec des signaux faciles à contrôler.
Sur le plan neurophysiologique, le niveau cérébral du contrôle décisionnel n'est pas sur la zone de projection primaire du cerveau, qui est l'aire 4 du lobe frontal où tous les muscles du corps sont représentés avec une cartographie précise. Mais le sujet qui déclenche une action motrice est et peut être ignorant de l'existence des muscles qu'il ne sent que s'ils sont douloureux. Donc, quand on décide de commander une action, on ne le fait pas directement sur le clavier moteur de l'aire 4 où tous les muscles sont représentés, mais de façon indirecte, dans la zone dite prémotrice où sont élaborées les décisions d'action. Ce raccourci très réducteur ne tient évidemment pas compte des boucles cérébro-cérebelleuses qui assurent le bon choix des actionneurs et l'équilibrage agoniste-antagoniste.

AI : Quel avenir à quelques années voyez-vous dans les voies de recherche que vous avez évoquées ?

PR : Nous sommes entrés dans une ère technologique passionnante et prometteuse. Les progrès de la technologie sont visibles tous les jours. Nous disposons maintenant de circuits microélectroniques élaborés dans des techniques en dessous du micron, ainsi que des nanotechnologies ou des nanomachines au dessous des 100 microns. Mais dans cette ambiance "ultraprogressiste", il ne faut pas oublier que le facteur constant est l'homme lui même qui est une espèce finie et définie qui ne changera jamais.

AI : Et que visez vous sur le plan fonctionnel ?

PR : L’électrostimulation permet d’envoyer un signal à un nerf, quel qu’il soit. Le grand espoir pour l’avenir sera de commander non seulement les membres mais aussi les organes viscéraux comme la vessie (il existe en France 2 millions de personnes incontinentes) et aussi l’érection. Tout ce qui est fonction dans le corps humain a une base nerveuse. Les neuroprothèses ont des applications immenses dans le domaine sensoriel, viscéral, etc. Les perspectives sont considérables. Il faudra développer et perfectionner les électrodes intelligentes supprimant les fils vecteurs d’infection.
Il faudra réaliser des unités de stimulation autonome miniaturisées. Il faudra aussi résoudre le problème de l’alimentation en énergie électrique. Dans ce cas existe la voie des bio-batteries, fonctionnant dans le corps humain en se rechargeant sur le milieu intérieur par des différences de potentiels de tissus. C’est tout cela qui constitue incontestablement l’avenir.

AI : Comment vous situez-vous sur ces sujets par rapport au reste du monde ?

PR : Pas trop mal, car cela fait longtemps que nous travaillons avec une excellente équipe européenne pluridisciplinaire et des patients très motivés. Nous sommes les seuls actuellement pour les neuroprothèses motrices depuis l'abandon d'une société américaine concurrente. Mais nous dépendons des progrès des technologies, notamment des nanotechnologies que j'ai citées. Enfin nous avons aussi besoin de moyens financiers en plus de ceux que nous a accordés généreusement la Fondation EDF.
Il faut souhaiter que les Communautés Européennes qui gèrent la recherche européenne avec des moyens importants soutiennent plus les technologies biomédicales qui sont encore actuellement les parents pauvres d'un système dominé par la génétique et la biologie moléculaire.


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