Comme moyen de voir à l’intérieur du corps, révélant une tumeur ou un fœtus, l’échographie est éprouvée. Mais les neuroscientifiques ont une nouvelle ambition pour la technologie : bricoler le cerveau. À des fréquences inférieures à celles d’un échographie mais toujours au-delà de la portée de l’audition humaine, les ultrasons peuvent pénétrer dans le crâne et stimuler ou supprimer l’activité cérébrale. Si les chercheurs peuvent prouver que les ultrasons modifient de manière sûre et prévisible la fonction cérébrale humaine, ils pourraient devenir un outil de recherche puissant et non invasif et un nouveau moyen de traiter les troubles cérébraux.
Le fonctionnement des ultrasons sur le cerveau reste mystérieux. Mais des expériences récentes ont rassuré sur la sécurité, et de petites études suggèrent des effets significatifs chez l’homme, en atténuant la douleur, par exemple, ou en améliorant subtilement la perception. « J’ai vu beaucoup de données alléchantes », déclare Mark Cohen, neuroscientifique à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA). « Bien que les défis soient très importants, le potentiel de cette chose est tellement plus grand que nous devons vraiment le poursuivre. »
Les scientifiques peuvent déjà moduler le cerveau de manière non invasive en délivrant un courant électrique ou des impulsions magnétiques à travers le crâne. La Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a approuvé la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) pour traiter la dépression, les migraines et les troubles obsessionnels compulsifs (TOC).
Mais contrairement aux champs magnétiques ou électriques, les ondes sonores peuvent être focalisées, comme la lumière à travers une loupe, sur un point situé profondément dans le cerveau sans affecter les tissus moins profonds. Pour l’instant, cette combinaison de profondeur et de mise au point n’est possible qu’avec un fil implanté chirurgicalement. Mais les ultrasons pourraient temporairement perturber une région profonde du cerveau humain – l’amygdale en forme d’amande, un moteur de réponses émotionnelles, par exemple, ou le thalamus, une station relais de la douleur et un régulateur de la vigilance – pour tester sa fonction ou traiter une maladie.
Les résultats chez les animaux sont encourageants. Des expériences dans les années 1950 ont montré pour la première fois que les ondes ultrasonores pouvaient supprimer l’activité neuronale dans une région visuelle du cerveau du chat. Chez les rongeurs, la visée des ultrasons sur les régions motrices a déclenché des mouvements tels qu’une contraction d’une patte ou d’une moustache. Et le concentrer sur une région frontale du cerveau des singes peut changer la façon dont les animaux effectuent les tâches de mouvement des yeux.
Mais il est techniquement difficile de viser les ultrasons à travers un os du crâne épais et dense et de montrer que son énergie a atterri au point prévu. Et les effets des ultrasons sur le cerveau peuvent être difficiles à prévoir. Dans quelle mesure il stimule ou supprime l’activité neuronale dépend de nombreux paramètres, notamment le moment et l’intensité des impulsions ultrasonores, et même les caractéristiques des neurones ciblés eux-mêmes. « Je suis très enthousiaste à propos du potentiel », déclare Sarah Hollingsworth Lisanby, psychiatre à l’Institut national de la santé mentale qui étudie la neuromodulation non invasive. « Nous devons également reconnaître qu’il y a beaucoup à apprendre », dit-elle.
D’une part, les chercheurs ignorent en grande partie comment les ondes sonores et les cellules cérébrales interagissent. « C’est la question à un million de dollars dans ce domaine », déclare Mikhail Shapiro, ingénieur biochimique au California Institute of Technology. À des intensités élevées, les ultrasons peuvent chauffer et tuer les cellules du cerveau, une caractéristique que les neurochirurgiens ont exploitée pour brûler des sections du cerveau responsables des tremblements.
Même à des intensités qui n’augmentent pas significativement la température, les ultrasons exercent une force mécanique sur les cellules. Certaines études suggèrent que cette force altère les canaux ioniques sur les neurones, modifiant ainsi la probabilité qu’une cellule envoie un signal à ses voisins. Si les ultrasons fonctionnent principalement via des canaux ioniques, « C’est une excellente nouvelle », dit Shapiro, « car cela signifie que nous pouvons regarder où ces canaux sont exprimés et faire des prédictions sur les types de cellules qui seront excités ». Dans une pré-publication sur bioRxiv le mois dernier, l’équipe de Shapiro a rapporté que l’exposition aux ultrasons des neurones de souris dans une boîte à ultrasons ouvre un ensemble particulier de canaux ioniques calciques pour rendre certaines cellules plus excitables.
Mais ces canaux à eux seuls n’expliqueront pas les effets des ultrasons, explique Seung-Schik Yoo, neuroscientifique à l’Université de Harvard. Il note que les ultrasons semblent également affecter les récepteurs des cellules cérébrales non neuronales appelées glies. « Il est très difficile de [develop] toute théorie unificatrice sur le mécanisme exact » des ultrasons, dit-il.
Quel que soit le mécanisme, l’échographie commence à montrer des effets clairs, quoique subtils, chez l’homme. En 2014, une équipe de l’Institut polytechnique de Virginie et de l’Université d’État a montré que les ultrasons focalisés pouvaient augmenter l’activité électrique dans une région de traitement sensoriel du cerveau humain et améliorer la capacité des participants à discerner le nombre de points touchés sur leurs doigts. Le neurologue Christopher Butler de l’Université d’Oxford et ses collègues ont testé les ultrasons au cours d’une tâche sensorielle plus complexe : évaluer le mouvement de points à la dérive et tremblants sur un écran. Le mois dernier, lors de la réunion annuelle en ligne de la Cognitive Neuroscience Society, il a rapporté que la stimulation d’une région visuelle de traitement du mouvement appelée MT améliorait la capacité des sujets à juger de la manière dont la majorité des points dérivaient.
Les effets de l’échographie ont jusqu’à présent été plus subtils que ceux de la TMS, explique Mark George, psychiatre à l’Université médicale de Caroline du Sud, qui a aidé à développer et à affiner cette technologie. Avec TMS, « vous le mettez sur votre tête et l’allumez et votre pouce bouge », dit-il. Mais les expériences par ultrasons qui ont provoqué des contractions des pattes chez les souris ont utilisé des intensités « donc, tellement, tellement plus élevées que celles que nous sommes autorisés à utiliser chez les humains ».
Les régulateurs ont limité les études humaines en partie parce que les ultrasons ont le potentiel de cuire le cerveau ou de causer des dommages par cavitation, c’est-à-dire la création de minuscules bulles dans les tissus. En 2015, Yoo et ses collègues ont découvert des microsaignements, signe de lésions des vaisseaux sanguins, dans des cerveaux de moutons exposés à plusieurs reprises aux ultrasons. « C’était un énorme ralentisseur », a déclaré Kim Butts Pauly, biophysicien à l’Université de Stanford. Mais en février à Stimulation cérébrale, son groupe a également signalé des microsaignements chez les animaux témoins, suggérant que ces dommages pourraient résulter de la dissection du cerveau. Butts Pauly et Yoo disent maintenant qu’ils sont convaincus que la technologie peut être utilisée en toute sécurité.
Cohen et ses collaborateurs ont récemment testé la sécurité chez les personnes en visant des ultrasons dans des régions devant subir une ablation chirurgicale pour traiter l’épilepsie. Avec l’accord de la FDA, ils ont utilisé des intensités jusqu’à huit fois supérieures à la limite des ultrasons diagnostiques. Comme ils l’ont signalé dans une prépublication sur medRxiv en avril, ils n’ont trouvé aucun dommage significatif au tissu cérébral ou aux vaisseaux sanguins. Cependant, pour trouver la limite de sécurité, les chercheurs devront probablement aller jusqu’à des niveaux qui endommagent les tissus, dit Cohen.
Plusieurs équipes s’orientent prudemment vers des tests d’échographie comme traitement. En 2016, le neuroscientifique de l’UCLA Martin Monti et ses collègues ont rapporté qu’un homme dans un état de conscience minimale avait repris conscience après une stimulation par ultrasons de son thalamus. Monti prépare une publication sur une étude de suivi de trois personnes souffrant d’états de conscience chroniquement altérés. Après l’échographie, ils ont montré une réactivité accrue sur une période de quelques jours, beaucoup plus rapidement que prévu, dit Monti, bien que l’étude n’inclue aucun groupe témoin.
Cette recherche et les tests effectués sur des patients épileptiques ont utilisé un appareil à ultrasons développé par BrainSonix Corporation. Son fondateur, le neuropsychiatre de l’UCLA Alexander Bystritsky, espère que les ultrasons peuvent perturber les circuits neuronaux qui entraînent les symptômes du TOC. Une équipe du Massachusetts General Hospital et du Baylor College of Medicine prévoit une étude chez l’homme à l’aide de l’appareil BrainSonix, dit-il.
L’ingénieur biomédical de l’Université de Columbia, Elisa Konofagou, espère utiliser les ultrasons pour traiter la maladie d’Alzheimer. Avant que COVID-19 n’interrompe le recrutement des participants, elle et ses collègues préparaient une étude pilote pour injecter de minuscules bulles remplies de gaz dans la circulation sanguine de six personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer et utiliser des impulsions d’ultrasons pour faire osciller les microbulles dans les vaisseaux sanguins qui tapissent le cerveau. La force mécanique de ces vibrations peut séparer temporairement les cellules qui tapissent ces vaisseaux. Les chercheurs espèrent que l’ouverture de cette barrière hémato-encéphalique aidera le cerveau à éliminer les protéines toxiques. (L’équipe de Konofagou et d’autres explorent également cette combinaison ultrasons-microbulles pour administrer des médicaments au cerveau.)
Dans son premier test d’échographie après des années d’étude de la SMT, George a cherché à réduire la douleur. Son équipe a appliqué une chaleur croissante aux bras de 19 participants, qui avaient tendance à devenir plus sensibles au fil des tests répétés, signalant une douleur à des températures plus basses lors du dernier test. Mais si, entre le premier et le dernier test, ils ont eu des impulsions d’ultrasons dirigées vers le thalamus, leur seuil de douleur a baissé de moitié. « C’est définitivement un double feu vert » pour continuer à poursuivre la technologie, dit George.
George traite régulièrement des patients déprimés atteints de SMT et a vu la technologie sauver des vies. « Mais tout le monde se demande si nous pourrions aller plus loin avec une technologie différente, cela changerait la donne », dit-il. « L’échographie tient cette promesse, mais la question est de savoir si elle peut vraiment tenir ? »
Source link
