Avec ce « nez bionique », les survivants du COVID-19 auront à nouveau l'occasion de « sentir les roses »

​Un dimanche de 2012, alors qu'il apprenait le skateboard à son fils de 6 ans, Scott Moorehead est tombé au sol. "C'est l'arrière de mon crâne qui en a subi le plus gros", a-t-il déclaré. Il a passé trois jours dans l'unité de soins intensifs, où les médecins l'ont soigné pour de multiples fractures du crâne, une hémorragie interne massive et des lésions du lobe frontal de son cerveau.

Après des semaines et des mois, l'audition de Moorehead est revenue, ses maux de tête ont disparu, tout comme son irritabilité et sa confusion, mais il n'a jamais retrouvé son odorat.

L’accident a sectionné définitivement les nerfs allant du nez de Moorehead au bulbe olfactif à la base de son cerveau. En plus de son odorat, il a également perdu son sens fondamental du goût. "Le goût vient principalement de l'odorat", explique-t-il. "Ma langue ne peut percevoir que le sucré, le salé, l'épicé et l'amer. Vous pourriez me bander les yeux et mettre 10 parfums de glace devant moi et je ne ferais pas la différence : ils ont tous un goût un peu sucré, sauf que le chocolat est un peu sucré. amer. »

Moorehead en a terriblement souffert : en plus du goût de la nourriture, l'odeur unique de ses proches lui manquait également. À une occasion, il n'a pas remarqué une fuite de gaz et n'a pas réalisé le danger jusqu'à ce que sa femme rentre à la maison et appelle la police.

La douleur de Moorehead n'est pas unique, la perte d'odorat peut être causée non seulement par des blessures à la tête, mais également par l'exposition à certaines toxines et à divers problèmes médicaux, notamment des tumeurs, la maladie d'Alzheimer et des maladies virales comme le COVID. Le sens de l'odorat diminue également généralement avec l'âge ; dans une étude de 2012 portant sur plus de 1 200 adultes dont le sens de l'odorat a été testé, 39 % des participants âgés de 80 ans et plus présentaient un dysfonctionnement olfactif.

La perte de l'odorat et du goût sont les principaux symptômes du COVID depuis le début de l'épidémie. Les personnes atteintes d'anosmie induite par le COVID n'ont actuellement que trois options : attendre et voir si la sensation revient d'elle-même, demander des médicaments stéroïdiens pour réduire l'inflammation et potentiellement accélérer la guérison, ou commencer à retester quelque chose auquel elles s'exposent. Sentir des odeurs familières chaque jour pour promouvoir la récupération des nerfs rhinocérébraux. Les médicaments sont généralement efficaces si les patients recherchent un traitement et se rétablissent quelques semaines après l’apparition des symptômes. Mais malgré cela, ces interventions ne fonctionnent pas pour tout le monde.

En avril 2020, des chercheurs de la VCU Smell and Taste Clinic ont lancé une enquête nationale auprès des adultes diagnostiqués avec COVID pour déterminer la prévalence et la durée des symptômes liés à l'odorat. Ils ont suivi ces personnes régulièrement et ont publié en août dernier les résultats de personnes deux ans après leur diagnostic initial. Les résultats ont été choquants : 38 % ont signalé une récupération complète de leur odorat et de leur goût, 54 % ont signalé une guérison partielle et 7,5 % n'ont signalé aucune guérison du tout. "Il s'agit d'un grave problème de qualité de vie", a déclaré Evan Reiter, directeur de la clinique VCU.

Régénérer l'odorat

Alors que de nombreux chercheurs étudient des méthodes biologiques, comme l'utilisation de cellules souches pour régénérer les récepteurs des odeurs et les nerfs, Richard Costanzo estime que les implants matériels sont la seule solution pour les personnes ayant complètement perdu l'odorat. "Lorsque ces voies deviennent vraiment indisponibles, il faut les remplacer par la technologie", a-t-il déclaré.

Costanzo, professeur émérite de physiologie et de biophysique, a fondé le Centre pour les troubles de l'odorat et du goût de VCU dans les années 1980, l'une des premières cliniques de ce type dans le pays. Après des années passées à étudier la perte d’odeur et à étudier la possibilité d’une régénération biologique, il a commencé à travailler sur des solutions matérielles dans les années 1990.

Il a développé un prototype de nez électronique : une neuroprothèse pour l'odorat, où des capteurs électroniques du nez transmettent leurs signaux à un réseau de petites électrodes prélevées sur un implant cochléaire. Pour les personnes malentendantes, les implants peuvent transmettre des informations sur les sons dans l’oreille interne, puis dans le cerveau. L’implant est également dimensionné pour s’adapter au bulbe olfactif situé à la périphérie du cerveau. Alors, pourrait-il également être utilisé pour transmettre des informations sur les odeurs ?

Contrairement à la plupart des personnes souffrant d'anosmie, Moorehead n'a pas abandonné lorsque les médecins lui ont dit qu'il n'avait aucun moyen de retrouver son odorat. En tant que PDG d’une entreprise de vente au détail de téléphones mobiles possédant des magasins dans 43 États, il dispose des ressources nécessaires pour investir dans la recherche à long terme. Lorsqu'un collègue lui a parlé du travail effectué au VCU, il l'a contacté et lui a proposé une bourse de recherche. Depuis 2015, Moorehead a investi près d'un million de dollars dans la recherche. Il a également obtenu une licence pour la technologie de VCU et a lancé une startup appelée Sensory Restoration Technologies.

Lorsque la COVID a frappé, Moorehead a vu une opportunité. Même s’ils étaient loin de lancer un produit à promouvoir, il a rapidement construit un site Internet pour la startup. Il a déclaré : "Les gens perdent leur odorat. Les gens doivent savoir que nous existons !" audience.

Les implants cochléaires sont la neurotechnologie la plus performante à ce jour, avec plus de 700 000 appareils implantés dans les oreilles dans le monde. Entre-temps, des instituts de recherche développent déjà des implants rétiniens pour les aveugles, mais l'odorat et le goût sont considérés comme un défi difficile à relever.

Pour comprendre pourquoi, il faut d’abord comprendre la merveilleuse complexité du système olfactif humain. Lorsque le parfum d’une rose se répand dans vos voies nasales, les molécules odorantes se lient aux neurones récepteurs, envoyant des signaux électriques au nerf olfactif. Ces nerfs voyagent à travers les plaques osseuses jusqu'au bulbe olfactif, une petite structure neurale située dans le cerveau antérieur. De là, l’information est transmise à l’amygdale, la partie du cerveau qui contrôle les réponses émotionnelles. l'hippocampe, une structure impliquée dans la mémoire ; et le cortex frontal, qui gère le traitement cognitif.

Les molécules d'odeur pénétrant dans le nez se lient aux cellules réceptrices olfactives, qui envoient des signaux à travers les os de la lame cribreuse jusqu'au bulbe olfactif. De là, le signal est envoyé au cerveau.

Ces connexions neuronales ramifiées sont la raison pour laquelle les odeurs nous frappent parfois si fort, nous rappelant des souvenirs heureux ou des événements traumatisants. "Le système olfactif a accès à des parties du cerveau inaccessibles aux autres sens", explique Coelho. La diversité des connexions cérébrales suggère également que la stimulation du système olfactif peut avoir d'autres utilisations, bien au-delà de l'appréciation de la nourriture ou de la détection de fuites de gaz : "Il pourrait Affecter l'humeur, la mémoire et la cognition »

Les systèmes biologiques sont difficiles à reproduire pour plusieurs raisons. Le nez humain possède environ 400 types différents de récepteurs qui détectent les molécules odorantes. Ces récepteurs fonctionnent ensemble pour permettre aux humains de distinguer un nombre impressionnant d’odeurs : une étude de 2014 a estimé ce nombre à 1 000 milliards. Jusqu'à présent, il n'était pas pratique de placer 400 capteurs sur une puce et de les fixer aux lunettes d'un utilisateur. De plus, les chercheurs ne comprennent pas encore pleinement le code olfactif qui stimule certaines combinaisons de récepteurs qui amènent le cerveau à percevoir les odeurs. Heureusement, Costanzo et Coelho connaissaient quelqu'un qui pouvait résoudre les deux problèmes.

Progrès de la recherche sur les nez électroniques et la stimulation cérébrale

Aujourd'hui, les nez électroniques sont utilisés dans une variété d'environnements industriels, de bureau et résidentiels - si vous avez un détecteur de monoxyde de carbone typique dans votre maison, vous avez un nez électronique très simple.

"Les capteurs de gaz traditionnels sont basés sur des semi-conducteurs tels que des oxydes métalliques", explique Krishna Persaud, chercheur de premier plan sur le nez électronique et professeur de chimioréception à l'Université de Manchester au Royaume-Uni. Il est le consultant de Costanzo et Coelho. Dans les dispositifs de nez électroniques les plus courants, a-t-il déclaré, "lorsque les molécules interagissent avec le matériau semi-conducteur, la résistance change et vous pouvez la mesurer au cours des deux dernières décennies, a déclaré Persaud. Aujourd'hui, ils sont de plus en plus grands." d'une micropuce. "Cela les rend très pratiques dans un petit emballage", a-t-il déclaré. Dans les premières expériences de l’équipe VCU, ils ont utilisé des capteurs disponibles dans le commerce d’une société japonaise appelée Figaro.

Persaud affirme que le problème avec ces capteurs disponibles dans le commerce est qu'ils ne peuvent pas distinguer de nombreuses odeurs différentes. C'est pourquoi il recherche de nouveaux matériaux, tels que des polymères conducteurs peu coûteux à fabriquer, de faible consommation et pouvant être combinés en matrices pour offrir une sensibilité à des dizaines d'odeurs. Pour les neuroprothèses, « en principe, des centaines [de capteurs] sont réalisables », précise Persaud.

Les produits de première génération ne permettaient pas aux utilisateurs de sentir des centaines de parfums différents. Au lieu de cela, l'équipe VCU avait initialement envisagé d'inclure certains récepteurs pour les odeurs liées à la sécurité, telles que la fumée et le gaz naturel, ainsi que certaines odeurs agréables. Ils peuvent même personnaliser les prothèses pour donner aux utilisateurs des odeurs qui ont du sens pour eux : l'odeur du pain pour un boulanger amateur par exemple, ou l'odeur d'une forêt de pins pour un randonneur passionné.

Combiner cette technologie de nez électronique avec les dernières neurotechnologies est le défi auquel Costanzo et Coelho sont actuellement confrontés. Tout en travaillant avec Persaud pour tester le nouveau capteur, ils travaillent également avec des cliniciens de Boston sur les meilleurs moyens d'envoyer des signaux au cerveau.

L'équipe VCU a posé les bases grâce à des expérimentations animales. Lors d’expériences sur des rats en 2016 et 2018, l’équipe a montré que l’utilisation d’électrodes pour stimuler directement des points à la surface du bulbe olfactif produisait des modèles d’activité neuronale au plus profond du bulbe qui transportaient des informations vers d’autres parties du cerveau. Les chercheurs appellent ces modèles des cartes d'odeurs. Mais même si l'activité neuronale suggérait que les souris sentaient quelque chose, elles ne pouvaient pas dire aux chercheurs ce qu'elles sentaient.

L'oto-rhino-laryngologiste Eric Holbrook travaille souvent avec des patients qui nécessitent une intervention chirurgicale dans leurs cavités sinusales. Il a aidé l’équipe VCU à mener des essais cliniques préliminaires.

Leur prochaine étape consiste à recruter des collaborateurs capables de mener des expériences similaires avec des volontaires humains. Ils ont commencé avec l'un des anciens étudiants de Costanzo, Holbrook, professeur agrégé d'oto-rhino-laryngologie à la Harvard Medical School et chef du Massachusetts Eye, Ear and Nose. Holbrook passe une grande partie de son temps à opérer les cavités des sinus, y compris la cavité ethmoïde, située sous la plaque criblée, une structure osseuse qui sépare les récepteurs olfactifs des bulbes olfactifs.

Holbrook a découvert en 2018 que le fait de placer des électrodes sur les os envoie des impulsions électriques aux bulbes olfactifs. Dans un essai mené auprès de patients éveillés, trois volontaires sur cinq ont signalé des perceptions olfactives lors de cette stimulation, avec des odeurs telles que « oignon », « conservateur et aigre » et « fruité ». Bien que Holbrook considère l'essai comme une bonne preuve de concept pour un système d'implant olfactif, il affirme qu'une mauvaise conductivité osseuse constitue un facteur limitant important. "Si nous voulons délivrer des zones de stimulation discrètes et indépendantes", a-t-il déclaré, "cela ne peut pas se faire à travers l'os, mais doit se faire sur le bulbe olfactif lui-même

Placer des électrodes sur le bulbe olfactif le sera." nouveau territoire. "En théorie", a déclaré Coelho, "il existe de nombreuses façons différentes d'y parvenir." ampoule. Coelho a expliqué que les chirurgiens nasaux effectuent souvent des interventions chirurgicales à faible risque impliquant une rupture de la lame cribriforme. "Ce qui est nouveau, ce n'est pas comment s'y rendre ou nettoyer après", a-t-il déclaré, "mais comment y garder l'objet étranger sans causer de problème". étudier pendant leur hospitalisation, en utilisant des électrodes implantées pour la surveillance cérébrale.

Une autre stratégie consiste à ignorer complètement le bulbe olfactif et à stimuler les parties « en aval » du cerveau qui reçoivent les signaux du bulbe olfactif. L'ancien étudiant de Holbrook, Mark Richardson, chef de la neurochirurgie fonctionnelle au Massachusetts General Hospital, soutient cette approche. Richardson garde souvent les patients épileptiques à l'hôpital pendant plusieurs jours avec des électrodes dans le cerveau afin que les médecins puissent déterminer quelles zones du cerveau sont impliquées dans leurs crises et planifier des traitements chirurgicaux. Cependant, pendant que ces patients attendent, ils sont souvent recrutés pour des recherches en neurosciences.

Pour faciliter les recherches de Costanzo et Coelho, l'équipe de Richardson a demandé aux patients épileptiques de l'unité de surveillance de sentir un bâtonnet ayant une odeur comme la menthe, le poisson ou la banane. Les électrodes dans leur cerveau ont montré des schémas d'activité neuronale "dans des zones auxquelles nous nous attendions et dans des zones auxquelles nous ne nous attendions pas", a déclaré Richardson. Pour mieux comprendre la réponse du cerveau, son équipe vient de commencer une autre série d'expériences en utilisant un outil appelé olfactomètre, qui libérera des bouffées d'odeurs programmées avec plus de précision.

Une fois que les chercheurs savent où le cerveau devient actif en réponse à l'odeur de menthe poivrée, ils peuvent essayer de stimuler électriquement ces zones individuellement dans l'espoir de produire la même sensation. "Par rapport à la technologie actuelle, je pense que nous sommes plus près d'induire [la perception des odeurs] par la stimulation cérébrale que par la stimulation du bulbe olfactif", a déclaré Richardson. Il a souligné qu'il existe déjà des implants approuvés pour la stimulation cérébrale et a déclaré que l'utilisation de tels dispositifs faciliterait le processus réglementaire. Cependant, la nature distribuée de la perception des odeurs dans le cerveau introduit une nouvelle complication : les utilisateurs peuvent avoir besoin de plusieurs implants pour stimuler différentes zones. "Nous devrons peut-être visiter différents sites successivement ou simultanément", a-t-il déclaré.

Route vers la commercialisation​

En Europe, l'UE finance son propre projet d'implant olfactif appelé ROSE (Restoring Odor Detection and Identification in Odor Deficiency). Il sera lancé en 2021 et implique sept institutions à travers l’Europe.

Thomas Hummel, responsable de la clinique de l'odorat et du goût à la TU Dresden et membre du consortium, a déclaré que les chercheurs de ROSE collaborent avec la société française Aryballe, qui produit des microcapteurs pour l'analyse des odeurs. Les partenaires expérimentent actuellement la stimulation du bulbe olfactif et du cortex préfrontal. "Tous les composants nécessaires à l'équipement sont déjà là", a-t-il déclaré. "La difficulté est de les réunir." Hummel estime que les recherches du consortium pourraient déboucher sur un produit commercial d'ici cinq à dix ans. "C'est une question d'effort et de financement", a-t-il déclaré.

L'expert en nez électronique Persaud a déclaré que le jury ne sait toujours pas si les neuroprothèses sont commercialement viables. "Certaines personnes atteintes d'anosmie feront tout ce qu'il faut pour retrouver ce sens", a-t-il déclaré. "La question est de savoir s'il y a suffisamment de monde pour créer un marché pour ce dispositif", a-t-il déclaré, car il existe toujours un risque associé à la chirurgie et aux implants.

Les chercheurs du VCU ont tenu des réunions informelles avec les régulateurs de la Food and Drug Administration des États-Unis, qui ont entamé les premières étapes vers l'approbation du dispositif médical implantable. Mais Moorhead, un investisseur qui a tendance à se concentrer sur les questions pratiques, a déclaré que l'équipe de rêve ne mènera probablement pas la technologie jusqu'à la ligne d'arrivée d'un système commercial approuvé par la FDA. Il a noté que de nombreuses sociétés d'implants médicaux existantes possèdent cette expertise, comme la société australienne Cochlear, qui domine le marché des implants cochléaires. "Si je peux amener [le projet] à un stade où il est attrayant pour l'une des entreprises, si je peux prendre des risques pour elle, ce serait de mon mieux", a déclaré Moorehead.

Costanzo a déclaré que restaurer la capacité des gens à sentir et à goûter est l’objectif ultime. Mais avant cela, il pourrait leur donner autre chose. Il reçoit souvent des appels de personnes désespérées qui ont vu son travail. "Ils sont très reconnaissants que quelqu'un travaille sur une solution", a déclaré Costanzo. "Mon objectif est d'apporter de l'espoir à ces personnes."

Source :

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic

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