Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) sont des dispositifs d’assistance émergents qui pourraient un jour aider les personnes atteintes de lésions cérébrales ou vertébrales à se déplacer ou à communiquer. Les systèmes BCI dépendent de capteurs implantables qui enregistrent des signaux électriques dans le cerveau et utilisent ces signaux pour piloter des appareils externes tels que des ordinateurs ou des prothèses robotiques.
La plupart des systèmes BCI actuels utilisent un ou deux capteurs pour échantillonner jusqu’à quelques centaines de neurones, mais les neuroscientifiques s’intéressent aux systèmes capables de collecter des données à partir de groupes beaucoup plus importants de cellules cérébrales.
Maintenant, une équipe de chercheurs a franchi une étape clé vers un nouveau concept pour un futur système BCI – ; celui qui utilise un réseau coordonné de capteurs neuronaux indépendants et sans fil à l’échelle microscopique, chacun de la taille d’un grain de sel, pour enregistrer et stimuler l’activité cérébrale. Les capteurs, surnommés « neurograins », enregistrent indépendamment les impulsions électriques produites par le déclenchement des neurones et envoient les signaux sans fil à un concentrateur central, qui coordonne et traite les signaux.
Dans une étude publiée le 12 août dans Nature Électronique, l’équipe de recherche a démontré l’utilisation de près de 50 neurograins autonomes pour enregistrer l’activité neuronale chez un rongeur.
Les résultats, disent les chercheurs, sont une étape vers un système qui pourrait un jour permettre l’enregistrement de signaux cérébraux avec des détails sans précédent, conduisant à de nouvelles informations sur le fonctionnement du cerveau et à de nouvelles thérapies pour les personnes atteintes de lésions cérébrales ou vertébrales.
« L’un des grands défis dans le domaine des interfaces cerveau-ordinateur est de concevoir des moyens de sonder autant de points du cerveau que possible », a déclaré Arto Nurmikko, professeur à la Brown’s School of Engineering et auteur principal de l’étude. « Jusqu’à présent, la plupart des BCI étaient des dispositifs monolithiques – un peu comme de petits lits d’aiguilles. L’idée de notre équipe était de décomposer ce monolithe en minuscules capteurs qui pourraient être répartis dans le cortex cérébral. C’est ce que nous avons pu faire démontrer ici. »
L’équipe, qui comprend des experts de Brown, de l’Université Baylor, de l’Université de Californie à San Diego et de Qualcomm, a commencé à développer le système il y a environ quatre ans. Le défi était double, a déclaré Nurmikko, qui est affilié au Carney Institute for Brain Science de Brown. La première partie nécessitait de réduire l’électronique complexe impliquée dans la détection, l’amplification et la transmission des signaux neuronaux dans les minuscules puces neurograin de silicium. L’équipe a d’abord conçu et simulé l’électronique sur un ordinateur, et a effectué plusieurs itérations de fabrication pour développer des puces opérationnelles.
Le deuxième défi consistait à développer le hub de communication externe au corps qui reçoit les signaux de ces minuscules puces. L’appareil est un mince patch, de la taille d’une empreinte de pouce, qui s’attache au cuir chevelu à l’extérieur du crâne. Il fonctionne comme une tour de téléphonie cellulaire miniature, utilisant un protocole réseau pour coordonner les signaux des neurograins, chacun ayant sa propre adresse réseau. Le patch alimente également sans fil les neurograins, qui sont conçus pour fonctionner avec une quantité minimale d’électricité.
« Ce travail était un véritable défi multidisciplinaire », a déclaré Jihun Lee, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l’étude. « Nous avons dû réunir une expertise en électromagnétisme, en communication par radiofréquence, en conception de circuits, en fabrication et en neurosciences pour concevoir et exploiter le système neurograin. »
Le but de cette nouvelle étude était de démontrer que le système pouvait enregistrer les signaux neuronaux d’un cerveau vivant – ; dans ce cas, le cerveau d’un rongeur. L’équipe a placé 48 neurograins sur le cortex cérébral de l’animal, la couche externe du cerveau, et a enregistré avec succès des signaux neuronaux caractéristiques associés à l’activité cérébrale spontanée.
L’équipe a également testé la capacité des appareils à stimuler le cerveau et à enregistrer à partir de celui-ci. La stimulation se fait avec de minuscules impulsions électriques qui peuvent activer l’activité neuronale. La stimulation est pilotée par le même hub qui coordonne l’enregistrement neuronal et pourrait un jour restaurer la fonction cérébrale perdue à la suite d’une maladie ou d’une blessure, espèrent les chercheurs.
La taille du cerveau de l’animal a limité l’équipe à 48 neurograins pour cette étude, mais les données suggèrent que la configuration actuelle du système pourrait en supporter jusqu’à 770. En fin de compte, l’équipe envisage de passer à plusieurs milliers de neurograins, ce qui fournirait un image actuellement inaccessible de l’activité cérébrale.
« C’était une entreprise difficile, car le système exige un transfert de puissance sans fil et une mise en réseau simultanés au débit de méga-bits par seconde, et cela doit être accompli sous des contraintes de surface et de puissance de silicium extrêmement serrées », a déclaré Vincent Leung, associé professeur au Département de génie électrique et informatique de Baylor. « Notre équipe a repoussé les limites des implants neuraux distribués. »
Il y a beaucoup plus de travail à faire pour faire de ce système complet une réalité, mais les chercheurs ont déclaré que cette étude représente une étape clé dans cette direction.
« Notre espoir est de pouvoir développer un système qui fournira de nouvelles connaissances scientifiques sur le cerveau et de nouvelles thérapies pouvant aider les personnes touchées par des blessures dévastatrices », a déclaré Nurmikko.
