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Des sondes minces de la taille d’un neurone visent à de meilleurs enregistrements

Pour qu’une sonde fine comme un cheveu pénètre dans le cerveau pour écouter le bavardage électrique des neurones, la finesse est la clé. Il est facile de déchirer les tissus en chemin. Et une fois en place, une sonde peut causer d’autres dommages qui étouffent les signaux qu’elle vise à détecter. Mais des rapports récents décrivent une génération de sondes plus fines qui devraient s’avérer moins dommageables. À peine quelques micromètres d’épaisseur, comparables aux neurones eux-mêmes, ces outils pourraient bientôt capturer des enregistrements à long terme sans précédent à partir de parties difficiles d’accès du cerveau des animaux. Et ils peuvent conduire à des interfaces cerveau-ordinateur plus sophistiquées pour les gens.

L’amélioration des techniques de fabrication des matériaux a aidé les laboratoires à créer des sondes extrêmement fines, explique l’ingénieur neuronal Timothy Hanson, qui a développé un système pour insérer de minuscules électrodes à l’Université de Californie à San Francisco (UCSF). Et des tests en laboratoire ont montré que la recherche sur le cerveau à l’aide d’électrodes ultrapetites « peut être effectuée et que cela en vaut la peine ».

Les sondes cérébrales conventionnelles sont déjà minuscules. Les électrodes rigides connues sous le nom de sondes du Michigan, couramment utilisées dans la recherche en neurosciences, sont des tiges pointues en forme de ruban qui peuvent mesurer jusqu’à 15 micromètres et mesurent généralement 60 micromètres de large ou plus. Dans une grille standard connue sous le nom de réseau Utah, chaque pointe mesure environ 200 micromètres d’épaisseur à sa base. Mais dans les mois qui suivent l’implantation de l’un ou l’autre dispositif, sa connexion aux neurones s’affaiblit généralement et son signal s’estompe.

Une des principales raisons est que la sonde provoque une réaction immunitaire dans le cerveau. Sa plongée initiale dans les tissus peut déchirer les vaisseaux sanguins. Et même après la guérison des dommages, la sonde continue de pousser et de tirer sur les tissus environnants. En réponse, des cellules non neuronales appelées glies se multiplient et forment des cicatrices qui éloignent les neurones de l’électrode.

Les dommages limitent également le nombre d’électrodes qu’un cerveau peut héberger, explique Cynthia Chestek, ingénieure neuronale à l’Université du Michigan à Ann Arbor. Pour obtenir des données valides, « nous avons besoin d’animaux qui agissent normalement après avoir reçu ces implants ». Introduisez trop de sondes et « vous étudiez les lésions cérébrales traumatiques ». La contrainte sur le nombre de sondes limite également les performances des interfaces cerveau-machine telles que les systèmes robotiques de contrôle des membres que son groupe développe ; La motricité fine nécessitera plus de canaux d’enregistrement, dit Chestek. Son équipe développe donc des électrodes beaucoup plus petites utilisant des fibres de carbone rigides d’environ 8 micromètres de diamètre. Il a été démontré que ces fibres enregistrent des neurones individuels dans le cerveau d’un rat pendant plusieurs mois sans cicatrice gliale significative ni mort neuronale.

D’autres groupes misent sur une autre classe de matériau : des polymères résistants qui se plient lorsqu’ils sont extrêmement fins. « Les neurones environnants voient les sondes, mécaniquement, comme leurs pairs », explique Chong Xie, ingénieur neuronal à l’Université du Texas à Austin. Son groupe a montré en 2017 que des sondes polymères de 1 micromètre d’épaisseur ne produisaient aucune cicatrice dans le cerveau de souris pendant 4 mois ; les résultats récents prolongent la longévité au-delà d’un an, dit-il.

Capteur de rétrécissement

Plusieurs nouvelles sondes en cours de développement ont une épaisseur similaire à celle de certains axones, extensions porteuses de signaux des neurones.
Graphique de la taille des neurones
V. Altounian /Science

Le chimiste de l’Université Harvard, Charles Lieber, s’est encore rapproché de l’échelle des neurones en construisant des électrodes de moins d’un micromètre d’épaisseur et aussi flexibles que les axones ou projections des neurones. Dans Matériaux naturels en février, l’équipe de Lieber a montré l’intégration transparente des sondes dans le cerveau de la souris grâce à l’imagerie par fluorescence. L’équipe a enregistré à partir du même ensemble de cellules sans perte de signal ni réponse immunitaire pendant 3 mois.

Avec leurs sondes ultrafines, les groupes de Lieber et Xie ont enregistré pendant des mois à partir de l’hippocampe de rongeur, une structure profonde impliquée dans l’apprentissage et la mémoire. Les électrodes conventionnelles ne peuvent pas écouter les neurones individuels de l’hippocampe pendant longtemps, dit Xie. Les chercheurs avancent généralement leurs sondes de quelques micromètres plus loin chaque jour pour capturer les signaux d’un nouvel ensemble de cellules lorsque leurs cibles précédentes sont endommagées ou repoussées. En s’en tenant au même ensemble de neurones pendant de longues périodes, les nouvelles sondes pourraient aider à comprendre comment les rôles des neurones individuels évoluent en réponse aux expériences des animaux.

Parce que les sondes polymères sont si flexibles, il est difficile de les introduire dans le cerveau. L’équipe de Lieber charge ses brins semblables à des neurones dans une seringue et utilise une aiguille rigide de 400 micromètres de large pour amener les électrodes à des endroits précis. Dans une prépublication de mars, Hanson et ses collègues de l’UCSF ont décrit une « machine à coudre » neuronale dans laquelle un bras robotique perce rapidement le cerveau avec une aiguille en métal pour insérer des sondes souples. Et l’ingénieur neuronal Nicholas Melosh et son équipe de l’Université de Stanford à Palo Alto, en Californie, attachent un fil rigide aux faisceaux de leurs sondes polymères de 7 sur 1,5 micromètres, qui se décollent lorsque le fil descend dans le cerveau.

Le mois dernier, lors d’une réunion de la Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative à Washington, DC, Melosh a présenté des preuves éclatantes que les petites sondes sont vraiment plus douces. Son groupe a fait des enregistrements précis des forces infimes que les sondes d’un diamètre de 13 à 200 micromètres exerçaient lorsqu’elles pénétraient dans le cerveau d’une souris vivante. À des tailles de sonde de 25 micromètres et moins, la microscopie n’a montré pratiquement aucune déchirure des vaisseaux sanguins. Au lieu de percer les capillaires, ces fils plus petits les ont écartés.

Cette découverte est « une très, très bonne nouvelle » pour les électrodes ultrapetites en cours de développement, déclare Chestek.

Les sondes à l’échelle des neurones doivent encore démontrer pleinement leur longévité et prouver qu’elles peuvent obtenir de bons signaux chez les plus gros animaux. Mais les premiers signes de sécurité sont encourageants, dit Chestek. Elle pointe des vidéos que Melosh a partagées de saignements massifs et étendus dus à la poussée d’une sonde de 80 micromètres. « Nous pensions que 80 microns était petit. »


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