The Effects of Intracortical Microstimulation Parameters on Neural Responses

Les microstimulations de tissues nerveux du cerveau sont utilisés dans un grand nombre de prothèses sensorielles, de thérapies cliniques et autres activités de recherche se servant de la stimulation électrique. Actuellement, les paramètres de stimulation sont adaptés à chaque application via des tests itératifs. Les méthodes d'optimisation cherchent à améliorer les stimuli développés pour des objectifs spécifiques de stimulation, mais la compréhension fondamentale de la façon dont les paramètres de stimulation influencent les circuits neuronaux qu'ils activent reste largement incomplète. Ce déficit retarde l'optimisation de protocoles existants et rend le développement de nouvelles applications de stimulation difficile. À ce jour, un certain nombre de dispositifs prothétiques validés dès les années 1970 restent en développement, principalement en raison de l'incapacité de ces dispositifs à communiquer efficacement avec le cerveau. Pour utiliser la stimulation électrique afin de transmettre des messages au système nerveux central, une meilleure conception du patron du signal de stimulation est nécessaire. Dans cette thèse, nous étudions l'influence que chaque paramètre du signal (un courant constant, symétrique carré biphasique) exerce sur les réponses qu'il évoquées au travers des microstimulations de la zone intracorticale caudale du membre antérieur dans le cortex moteur chez le rat. Les paramètres de ce signal sont l'amplitude du courant, la fréquence et la durée d'impulsion, l'intervalle d'interphase et la durée du train. Leurs effets ont été évalués par un examen des réponses électromyographiques évoquées dans les muscles des membres antérieurs du rat en réponse à chaque stimulus. Les principaux résultats décrivent comment chaque paramètre de stimulation influence l'amplitude, la latence d'apparition et la durée de la réponse. Une composante jusque-là inexplorée du signal de la réponse (que nous appelons 'activation résiduelle') est aussi analysée pour la première fois. Les théories quant à l'origine et le mécanisme neuronal sous-jacent de ce phénomène sont proposés et les paramètres de stimulation touchant son apparition, la prévalence et la durée sont décrits. La fiabilité des signaux de stimulation pour évoquer des réponses cohérentes est également évaluée par rapport aux variations de paramètres. Une méthodologie pour la conception optimisée des signaux de stimulation est proposée en utilisant un modèle de calcul simple, représentant les relations d'entrée-sortie entre les paramètres de stimulation et les réponses qu'ils évoquent. Ce modèle utilise une approche de réseau neuronal artificiel et peut être utilisé pour prédire les propriétés de la réponse lorsque les paramètres du stimulus sont connus. Compte tenu de la prévalence de la stimulation cérébrale dans les applications cliniques, de recherche et thérapeutiques, les procédures méthodologiques et de modélisation proposées ont des implications importantes dans l'optimisation des paradigmes de stimulation actuels et le développement de protocoles de stimulation pour de nouvelles applications.