Mais créer une connexion électronique durable avec le cerveau est compliqué. Les électrodes conventionnelles en microfils et en silicium sont beaucoup plus rigides que les tissus mous du cerveau. Les différences de propriétés mécaniques peuvent provoquer des lésions tissulaires liées aux micromotions, une inflammation et la formation de cicatrices gliales. Pour cette raison, les chercheurs abandonnent les électrodes rigides pour se tourner vers des interfaces biohybrides biomimétiques flexibles. Ces nouvelles approches aspirent à réduire l’inadéquation mécanique et biologique entre les dispositifs implantés et le tissu neuronal tout en conservant la capacité d’enregistrer et de stimuler l’activité neuronale.
L’une des applications les plus directes de l’ICMS est la création d’expériences sensorielles artificielles. Lorsque les électrodes stimulent le cortex somatosensoriel primaire, les personnes peuvent percevoir des sensations localisées telles que le toucher ou les picotements. Des approches plus récentes utilisent plusieurs électrodes et des modèles de stimulation spatio-temporelle soigneusement conçus pour fournir des informations plus riches, notamment les bords tactiles, la courbure et le mouvement apparent. Des études humaines ont montré qu’une telle stimulation structurée peut améliorer la contrôlabilité et la structure du toucher artificiel, même si elle ne reproduit pas encore pleinement la complexité des signaux tactiles naturels.
ICMS peut également être utilisé dans le cortex visuel. La stimulation du cortex visuel primaire peut produire des phosphènes – des points ou des lignes de lumière perçus – et une stimulation soigneusement coordonnée sur plusieurs électrodes peut créer des formes et des lettres reconnaissables. Des expériences menées auprès de participants aveugles ont démontré des modèles visuels bidimensionnels simples et des tâches de localisation d’objets.
Ces résultats suggèrent que l’ICMS va au-delà de la production d’une seule sensation artificielle vers la construction d’informations sensorielles structurées. Cependant, les chercheurs notent que les études actuelles sur les prothèses visuelles restent limitées à des formes, des lettres et des tâches de localisation relativement simples. Prédire les réponses du phosphène, déterminer les combinaisons d’électrodes efficaces et maintenir une stimulation stable sur de longues périodes restent des défis majeurs.
Un autre aspect important de cette étude est que les animaux peuvent apprendre à interpréter les schémas de stimulation artificielle et à les utiliser pour guider leur comportement. Cela suggère que le cerveau pourrait être capable d’apprendre la signification d’un signal neuronal artificiel plutôt que d’exiger que le signal imite exactement l’activité sensorielle naturelle. Une telle stratégie pourrait offrir une plus grande flexibilité aux futurs BCI bidirectionnels, dans lesquels les systèmes électroniques échangent en permanence des informations avec le cerveau.
L’étude examine également une possibilité plus ambitieuse : utiliser l’ICMS non seulement pour créer une sensation immédiate, mais pour modifier le fonctionnement des circuits neuronaux sur de plus longues périodes. Une stimulation répétée ou précisément chronométrée peut induire des changements de type plasticité dans les réseaux corticaux. Les chercheurs discutent d’études dans lesquelles une stimulation couplée ou dépendante de l’activité a modifié la connectivité fonctionnelle entre les régions corticales. Dans un paradigme en boucle fermée, l’activité neuronale spontanée du cortex moteur était utilisée pour déclencher la stimulation du cortex somatosensoriel avec un délai contrôlé. Cette stimulation temporellement adaptée a amélioré le couplage intercortical et a été associée à une meilleure récupération motrice dans un modèle de lésion cérébrale chez le rat.
Les auteurs soulignent cependant que ces applications restent largement expérimentales. Des biomarqueurs fiables, des paramètres de stimulation reproductibles, la sécurité de l’implantation et des avantages thérapeutiques durables nécessitent tous une validation plus approfondie avant la traduction clinique.
Les chercheurs soulignent également une direction prometteuse qui pourrait étendre l’ICMS au-delà du retour sensoriel artificiel et de la modulation des circuits : les interfaces neuronales biohybrides (BNI). Les électrodes neuronales conventionnelles sont fabriquées à partir de matériaux artificiels qui diffèrent considérablement des tissus biologiques mous du cerveau. Au fil du temps, cette inadéquation peut contribuer à des lésions tissulaires, à une inflammation et à une baisse des performances de l’interface.
Les électrodes flexibles peuvent réduire certains de ces problèmes, mais elles ne peuvent pas surmonter complètement la barrière biologique entre les dispositifs implantés et le tissu neuronal vivant.
Les BNI franchissent une étape supplémentaire en incorporant des composants biologiques vivants, tels que des cellules souches neurales, des cellules progénitrices neurales et d’autres cellules neurales, dans des interfaces neuronales. Ces approches visent à améliorer l’intégration tissulaire et pourraient permettre aux tissus neuronaux vivants de participer à la transmission du signal. Des conceptions plus avancées peuvent également guider la croissance des axones, créant des connexions entre les tissus biologiques et les appareils électroniques. Le potentiel des BNI peut s’étendre au-delà de l’amélioration des performances des électrodes jusqu’à la réparation des circuits neuronaux endommagés.
Ensemble, ces développements laissent entrevoir un avenir dans lequel les interfaces neuronales pourraient combiner l’électronique, les cellules vivantes et les tissus neuronaux pour prendre en charge la stimulation à long terme, l’intégration neuronale et potentiellement la réparation neuronale. Malgré des progrès rapides, l’étude souligne que l’ICMS n’est pas une technologie plug-and-play. Les performances à long terme dépendent de la stabilité des électrodes implantées, tandis que les effets de stimulation peuvent varier d’un individu à l’autre et évoluer dans le temps.
Les chercheurs appellent donc à des avancées coordonnées dans la conception des électrodes, le codage de la stimulation, l’étalonnage en boucle fermée et l’évaluation de la sécurité. Les études futures devraient inclure un suivi plus long, une validation inter-espèces, des évaluations de sécurité standardisées et des résultats comportementaux et neuronaux reproductibles.
Plutôt que de remplacer les technologies de neuromodulation existantes, l’ICMS pourrait à terme devenir un outil complémentaire offrant un contrôle beaucoup plus fin sur les populations neuronales locales. Son potentiel à long terme pourrait résider dans la combinaison de plusieurs capacités : fournir des informations sensorielles artificielles, permettre au cerveau d’apprendre de nouveaux canaux d’information, remodeler les circuits dysfonctionnels et intégrer plus naturellement les appareils électroniques aux tissus neuronaux vivants.
Comme le concluent les auteurs de la revue, traduire l’ICMS de la microstimulation expérimentale en systèmes BCI durables nécessitera des progrès non pas dans une seule technologie, mais dans la fiabilité de l’interface, le codage de la stimulation, le contrôle en boucle fermée, la sécurité et l’intégration biohybride.
Les auteurs de l’article incluent Pengfei Hu, Chong Chen, Yunliang Zang, Xiaohong Li et Dong Ming.
Ce travail a été soutenu par le programme national clé de recherche et de développement de Chine (2023YFF1204200), le programme majeur de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (T2596044) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (82571593).
