Selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn State, des électrodes souples conçues pour s'adapter parfaitement à la surface du cerveau d'une personne pourraient contribuer à faire progresser les interfaces neuronales pour la surveillance et le traitement des maladies neurodégénératives. Les interfaces neuronales sont alimentées par de minuscules capteurs capables de suivre les signaux biophysiques, appelés bioélectrodes. Ces capteurs sont généralement fabriqués à partir de matériaux rigides dans une conception unique qui peine à s'adapter à la structure complexe du cerveau. Les chercheurs ont créé une nouvelle approche de l’impression 3D de bioélectrodes capables de s’étirer et de se transformer pour s’adapter aux différences mineures qui rendent chaque cerveau unique.
L'équipe a utilisé un logiciel pour simuler des cerveaux détaillés sur la base d'IRM réalisées auprès de 21 patients humains, façonnant un ensemble d'électrodes adaptées aux structures spécifiques du cerveau avant d'imprimer en 3D les électrodes et les modèles du cerveau. Dans un article publié dans Advanced Materials, ils ont rapporté que leurs électrodes s'adaptaient mieux à la structure du cerveau que les modèles traditionnels, tout en restant efficaces et biologiquement compatibles, même dans les tests effectués sur des rats.
Les plis du cerveau humain sont créés par un processus appelé gyrification, dans lequel la feuille corticale de la paroi externe du cerveau se regroupe en crêtes, appelées gyri, et en rainures, appelées sulci. Cela aide les cellules du cerveau à communiquer à grande vitesse et permet à un organe relativement grand de s'insérer de manière compacte dans le crâne – un cerveau adulte étalé mesurerait environ 2 000 centimètres carrés, soit environ la taille de deux grandes pizzas.
Bien que les principaux replis corticaux soient cohérents d'un individu à l'autre, la disposition précise des gryi et des sulci du cerveau change considérablement d'une personne à l'autre, selon Tao Zhou, professeur de début de carrière de la famille Wormley, professeur adjoint de sciences de l'ingénierie et de mécanique et auteur correspondant de l'article. Cependant, les conceptions traditionnelles de bioélectrodes n’en tiennent pas compte.
« Chaque personne a une structure cérébrale différente, en fonction de sa taille, de son poids, de son âge, de son sexe et plus encore », a déclaré Zhou, qui est également affilié en génie biomédical et au centre d'ingénierie neuronale de Penn State. « Malgré cela, nous essayons d'adapter les interfaces neuronales aux cerveaux comme si elles avaient des structures identiques. Cela nous a motivé à créer des électrodes adaptées à chaque individu, en fonction de la structure de son cerveau. »
Les électrodes sont fabriquées principalement à partir d'un matériau riche en eau appelé hydrogel pour mieux s'adapter aux tissus mous et à la géométrie spécifique du cerveau du patient. De plus, l'équipe a utilisé une nouvelle structure inspirée du nid d'abeilles qui offre flexibilité et résistance, tout en restant rentable et rapide à imprimer, selon Zhou.
« La structure en nid d'abeille nous aide à réduire considérablement la rigidité des électrodes, sans sacrifier leur résistance mécanique », a déclaré Zhou. « De plus, la structure nous aide à réduire l'ensemble des matériaux utilisés lors de la fabrication, réduisant ainsi le temps de production, les coûts et l'impact environnemental. »
La production commence par la réalisation d'une IRM du cerveau d'un patient, qui est utilisée pour effectuer une analyse par éléments finis – un processus qui crée une simulation détaillée de la structure neuronale d'une personne. Cette analyse est ensuite rendue sous la forme d'un modèle 3D du cerveau du patient, où l'équipe utilise un logiciel informatique pour adapter une bioélectrode spécifiquement adaptée aux crêtes et aux rainures du cortex cérébral.
Après la mise en forme, l’équipe imprime en 3D l’électrode d’hydrogel en utilisant l’impression directe à l’encre, une technique qui peut créer des électrodes capables de surveiller et de transmettre des signaux cérébraux sur une surface relativement petite. Pour cette étude, l’équipe a imprimé en 3D des modèles de 21 cerveaux de participants différents, en appliquant leurs électrodes et en mesurant physiquement la précision avec laquelle les électrodes pourraient s’adapter à la surface du cerveau. Zhou a expliqué comment les approches de fabrication traditionnelles nécessitent des installations spécialisées telles que des salles blanches, ce qui les rend incroyablement coûteuses à personnaliser : l'impression 3D permet à l'équipe de personnaliser et de fabriquer des électrodes beaucoup plus rapidement, pour une fraction du prix.
Par rapport aux approches traditionnelles, les électrodes à base d’hydrogel suivent plus précisément la structure du cerveau. Zhou a déclaré que leur approche produit des électrodes qui présentent une connectivité presque parfaite aux signaux électriques présents dans le cerveau. De plus, le gel extensible étant très malléable, il peut être appliqué sur les tissus mous du cerveau sans causer de dommages, contrairement aux matériaux rigides composant d'autres modèles qui pourraient endommager les tissus.
Selon Zhou, la douceur de leurs électrodes permet un contact plus étroit et plus stable avec le cerveau, facilitant ainsi une surveillance de meilleure qualité et plus fiable. De plus, les bioélectrodes fabriquées selon cette approche n’ont pas d’impact sur le transport des fluides autour du cerveau, un aspect essentiel du fonctionnement cérébral que de nombreuses électrodes traditionnelles perturbent.
« La personnalisation des électrodes selon la structure spécifique du cerveau améliore considérablement leur fiabilité », a déclaré Zhou. « Parce qu'ils s'adaptent mieux au cerveau, la qualité du signal elle-même est considérablement améliorée. »
Pour étudier plus en détail leurs électrodes, l’équipe les a placées sur le cerveau de modèles de rats sur une période de 28 jours. Les rats n'ont présenté aucune réponse immunitaire aux électrodes imprimées, un élément clé dans le développement de biodispositifs, a déclaré Zhou. De plus, les électrodes n'ont présenté aucune dégradation de leurs performances, tout en offrant des lectures sensibles et précises des signaux électriques et physiologiques dans le cerveau.
Zhou a déclaré qu'il pensait que cette méthode d'impression pourrait servir de cadre pour l'impression à l'échelle commerciale de bioélectrodes personnalisées pour des patients spécifiques. Bien que ces systèmes soient traditionnellement utilisés pour surveiller l’activité neuronale, l’équipe prévoit d’explorer comment les électrodes personnalisées peuvent contribuer aux traitements neurologiques.
« Nous cherchons à améliorer davantage cette technologie pour optimiser les électrodes permettant de surveiller des maladies spécifiques », a déclaré Zhou. « À l'avenir, nous aimerions vraiment travailler avec les patients pour voir comment cette approche pourrait soutenir la surveillance du cerveau et le traitement des maladies en milieu clinique. »
Les co-auteurs supplémentaires affiliés à Penn State comprennent Nanyin Zhang, professeur de génie biomédical et Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck Chair en imagerie cérébrale ; Sulin Zhang, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et de génie biomédical ; les doctorants en sciences de l'ingénierie et en mécanique Marzia Momin, Luyi Feng, Salahuddin Ahmed et Jiashu Ren ; les doctorants en génie biomédical Xiaoai Chen, Hyunjin Lee et le chercheur postdoctoral Samuel R. Cramer ; le doctorant en génie mécanique Xinyi Wang ; Basma AlMahood, une étudiante de premier cycle qui étudiait la physique au moment de ses recherches et qui est maintenant doctorante en physique à la Michigan State University ; et Li-Pang Huang, assistant de recherche.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis et les National Institutes of Health.
