Pour la première fois, une nouvelle technique d'échographie permet aux chercheurs de stimuler simultanément plusieurs emplacements dans le cerveau. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour traiter les maladies cérébrales dévastatrices telles que la maladie d'Alzheimer, la Parkinson et la dépression à l'avenir.
La première photo prise d'une personne de nos jours est généralement une analyse échographique dans l'utérus. Mais la technologie est capable de bien plus que cela. Les physiothérapeutes ont longtemps utilisé des échographies pour chauffer les tissus corporels, et les chirurgiens oncologiques utilisent l'échographie de haute intensité – et la chaleur qu'elle génère à l'intérieur du corps – pour détruire les tumeurs.
Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont également recherché comment l'échographie de faible intensité peut être utilisée pour influencer l'activité neuronale dans le cerveau de manière ciblée. Les premiers essais cliniques cherchent déjà à vérifier si cette « neuromodulation » pourrait aider à atténuer les symptômes de la maladie d'Alzheimer ou de l'épilepsie, ou de la tremblement de patients atteints de tremblements.
Maintenant, des chercheurs d'Eth Zurich, de l'Université de Zurich et de l'Université de New York ont réussi à améliorer la technique de stimulation par ultrasons dans le cerveau. Les scientifiques ont développé un appareil qui, pour la première fois, leur permet de stimuler simultanément trois ou jusqu'à cinq points définis avec précision dans le cerveau, comme ils le démontrent dans leur étude. Jusqu'à présent, cela n'était possible que dans une certaine mesure – et avec beaucoup moins de précision.
Étant donné que le cerveau fonctionne dans des réseaux, il est plus facile d'activer ou d'inhiber un réseau cérébral si vous le stimulez à plusieurs points simultanément. «
Daniel Razansky, professeur à ETH Zurich et à l'Université de Zurich
Razansky a dirigé le travail avec un collègue de l'Université de New York.
À travers le crâne
Dans cette méthode, la neuromodulation est effectuée à travers le crâne en plaçant l'appareil sur le dessus de la tête. Il s'agit d'une technique non invasive – en d'autres termes, il n'y a pas besoin de craniotomie ou toute autre intervention chirurgicale.
Les chercheurs ont effectué une neuromodulation sur des souris en laboratoire. Pour cela, ils ont positionné la tête de la souris au centre d'un capot équipé de plusieurs centaines de transducteurs d'échographie développés par les chercheurs.
À l'aide d'électronique de stimulation sophistiquée, ces transducteurs génèrent de brèves impulsions d'échographie de telle manière que les ondes échographiques interfèrent les unes avec les autres dans le cerveau. Le principe est similaire à un hologramme, une image apparemment tridimensionnelle qui est produite par l'interaction entre les ondes légères. Dans la nouvelle méthode développée par les chercheurs de Zurich et de New York, des points focaux individuels sont produits en superposant un grand nombre de vagues échographiques.
En modulant les réseaux cérébraux à plusieurs endroits en même temps, les chercheurs peuvent travailler avec une intensité d'échographie plus faible par rapport aux stimulations à point unique. « Moins l'échographie moins intense, plus ce processus est sûr pour le cerveau », explique Razansky. Des approches antérieures de la neuromodulation à ultrasons souffraient souvent d'un effet tout ou rien: si l'échographie était trop faible, elle n'a eu aucun effet, tandis qu'une intensité excessive a conduit à une excitation incontrôlée de tout le cerveau, ce qui comptait un risque de lésions cérébrales. De plus, une échographie intense peut entraîner des dommages vasculaires et d'autres effets de surchauffe indésirables dans le cerveau ou le crâne.
Influence mécanique sur les protéines
Les impulsions à ultrasons focalisées à faible intensité ont un effet à court terme, y compris une brève augmentation de la température dans la zone focale. De plus, on pense qu'ils influencent également les protéines de canal qui se trouvent à la surface des neurones et qui contrôlent le transport des ions dans et hors des cellules. Quels mécanismes contribuent à l'activation et à l'inhibition des neurones – et dans quelle mesure – est quelque chose que les chercheurs doivent encore étudier en détail.
La nouvelle méthode peut être utilisée non seulement pour activer les réseaux cérébraux, mais aussi pour visualiser simultanément cette activation au moyen de l'imagerie, afin que les chercheurs puissent voir immédiatement quels réseaux ont été activés.
La plus récente étude que les chercheurs ont publié dans la revue Nature Biomedical Engineering, servi à développer la technologie et ne visait pas une demande médicale.
Les expériences d'animaux sont essentielles à cette recherche
Cette étude et la collaboration avec des chercheurs de l'Université de New York ont été principalement financées par les États-Unis National Institutes of Health. Comme cette agence est actuellement sous pression politique et n'accorde plus de financement à des partenaires de recherche internationaux, il n'est actuellement pas possible pour les chercheurs de poursuivre leur collaboration dans le même cadre, explique Razansky. Cependant, il aimerait continuer le travail au mieux de ses capacités avec d'autres sources de financement.
Ensuite, les chercheurs veulent se concentrer sur les applications et tester la technologie dans divers modèles animaux de maladies cérébrales. En plus de la maladie d'Alzheimer, des tremblements et de l'épilepsie, d'autres applications médicales potentielles comprennent les traitements de dépression, de Parkinson et de retraite d'AVC.
« Nous comptons sur des animaux pour nos recherches », explique Razansky. « Il ne sera pas possible de rechercher ces développements à un stade aussi précoce de l'homme. Nous devons d'abord apprendre à contrôler l'intervention et nous assurer qu'il est sûr et efficace pour le traitement des maladies cérébrales. »
Le groupe de Razansky est spécialisé dans le développement de techniques d'imagerie échographique et optique – en particulier, dans les aspects d'ingénierie du système, les méthodes expérimentales et l'analyse des données. Les collègues de New York ont contribué leur expertise dans le domaine des neurosciences. Le développement de l'appareil et les expériences ont eu lieu à Zurich.
