Une nouvelle technologie qui «vidéo» l'activité cérébrale pourrait un jour améliorer les prothèses

Des chercheurs de l'Université de Stanford ont créé une nouvelle interface cerveau-machine qui relie le cerveau à une puce de silicium qui peut «filmer» l'activité électrique neuronale.

Crédits image: adike / Shutterstock.com

Bien que de tels dispositifs soient déjà disponibles pour la recherche et le traitement des prothèses et du cerveau, le nouveau dispositif enregistre beaucoup plus d'informations et est moins invasif que les dispositifs actuels.

«Personne n'avait pris ces composants électroniques en silicium 2D et les avait adaptés à l'architecture tridimensionnelle du cerveau auparavant», explique Abdulmalik Obaid, étudiant en science des matériaux et auteur principal de l'article. « Nous avons dû jeter ce que nous savons déjà sur la fabrication de puces conventionnelle et concevoir de nouveaux processus pour faire entrer l'électronique au silicium dans la troisième dimension. Et nous avons dû le faire d'une manière qui pourrait évoluer facilement. »

À propos de la nouvelle technologie

Comme récemment rapporté dans la revue Science Advances, la technologie se compose d'un groupe de fils extrêmement fins qui font chacun la moitié de la largeur d'un cheveu fin. Les microfils sont placés à l'intérieur du cerveau et reliés à une puce de silicium externe qui enregistre les signaux électriques qui les traversent et «filme» essentiellement l'activité électrique des neurones individuels.

L'activité électrique est l'une des façons les plus précises de voir l'activité cérébrale. Avec ce réseau de microfils, nous pouvons voir ce qui se passe au niveau d'un seul neurone. « 

Nick Melosh, co-auteur et professeur de science des matériaux

Dans des tests sur des cellules rétiniennes de rat et sur le cerveau de souris vivantes, des signaux significatifs passant par des centaines de fils ont été acquis. D'autres études montreront ce qui peut être révélé à partir de ces signaux, ainsi que la durée pendant laquelle l'appareil peut rester dans le cerveau. En particulier, les chercheurs sont intrigués par ce que les signaux pourraient révéler sur le processus d'apprentissage et les applications potentielles en prothèses, en particulier pour la parole assistée.

Les défis

Pour créer un appareil qui atteignait ses objectifs, l'équipe savait qu'il devait être durable, capable de se connecter étroitement avec le cerveau et d'être le moins intrusif possible, pour éviter tout dommage.

Melosh dit qu'ils ont décidé de relier l'appareil à une puce de silicium car, en plus d'être très puissants, ces puces offrent une excellente occasion de passer à l'échelle: « Notre matrice se couple à cette technologie très simplement. Vous pouvez en fait simplement prendre la puce, appuyer sur il sur l'extrémité exposée du faisceau et obtenir les signaux. « 

L'un des principaux problèmes rencontrés par l'équipe a été de déterminer la structure du réseau. Ils savaient qu'il devrait être solide et durable, bien que la majeure partie soit constituée de microfils extrêmement fins. Ils ont résolu ce problème en isolant les fils individuels dans un polymère biocompatible et en les rassemblant dans un collier métallique, garantissant ainsi que les fils sont séparés les uns des autres et correctement positionnés.

Le polymère est ensuite retiré du dessous du collier et chaque fil est guidé directement dans le cerveau. Les machines à interface cérébrale actuelles ne contiennent qu'une centaine de fils, fournissant seulement autant de canaux de signalisation. De plus, chacun des fils doit être positionné manuellement dans le réseau.

En partie soutenue par une subvention «Big Ideas» du Wu Tsai Neurosciences Institute, l'équipe a travaillé à affiner la conception pendant des années, afin de s'assurer qu'elle fournirait un tableau avec des milliers de canaux de signalisation.

« La conception de cet appareil est complètement différente »

«La conception de cet appareil est complètement différente de tout appareil d'enregistrement haute densité existant, et la forme, la taille et la densité de la matrice peuvent être simplement modifiées pendant la fabrication», explique le co-auteur Jun Ding, professeur adjoint de neurochirurgie et neurologie. « Cela signifie que nous pouvons enregistrer simultanément différentes régions du cerveau à différentes profondeurs avec pratiquement n'importe quel arrangement 3D. »

Ding souligne que si la technologie était appliquée dans un contexte plus large, elle pourrait accélérer la compréhension du fonctionnement du cerveau à la fois dans un état sain et en cas de maladie.

Après de nombreuses années à essayer de développer cette technologie élégante, les chercheurs ont finalement créé un appareil qu'ils pouvaient tester dans les tissus cérébraux vivants. Obaid dit qu'ils ont dû utiliser des kilomètres de fils fins sur des matrices mâles suffisamment grandes, puis les relier à la puce de silicium: « Après des années de travail sur cette conception, nous l'avons testée sur la rétine pour la première fois et travaillé tout de suite. C'était extrêmement rassurant. « 

Quelle est la prochaine?

Après avoir effectué leurs premiers tests sur des cellules rétiniennes et dans le cerveau de souris, les chercheurs ont maintenant commencé des tests à plus long terme sur des animaux pour évaluer la durabilité et la performance des versions à plus grande échelle.

Ils étudient également les types d'informations que le tableau peut enregistrer, les résultats obtenus jusqu'à présent suggérant qu'il peut être possible de surveiller les processus d'apprentissage et d'échec dans le cerveau en temps réel.

Les chercheurs espèrent qu'à l'avenir, la technologie pourrait être utilisée pour améliorer les technologies médicales telles que les prothèses et les appareils pour récupérer la parole ou la vision perdues.