Les chercheurs démontrent des interfaces cérébrales flexibles

Un nouveau projet dirigé par une équipe de chercheurs a démontré comment une interface neurale ultramince et flexible peut être implantée dans le cerveau. L’interface est composée de milliers d’électrodes et peut durer plus de six ans.

Les résultats ont été publiés le mois dernier dans la revue Science Translational Medicine. L’équipe de chercheurs comprend Jonathan Viventi, professeur adjoint de génie biomédical à l’Université Duke ; John Rogers, le professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique à l’Université Northwestern ; et Bijan Pesaran, professeur de sciences neuronales à NYU.

Les défis entourant les capteurs dans le cerveau

Viventi a parlé de la difficulté d’obtenir des capteurs qui fonctionnent dans le cerveau.

“Essayer d’obtenir ces capteurs pour qu’ils fonctionnent dans le cerveau, c’est comme jeter votre téléphone portable pliable et flexible dans l’océan et s’attendre à ce qu’il fonctionne pendant 70 ans”, a déclaré Viventi. “Excepté que nous fabriquons des appareils qui sont beaucoup plus minces et plus flexibles que les téléphones actuellement sur le marché. C’est le défi.”

Il y a de nombreux défis difficiles lorsqu’il s’agit d’introduire des objets étrangers dans le cerveau. Ils doivent être capables d’exister dans un environnement corrosif et salé, et les tissus environnants et le système immunitaire attaquent l’objet.

La difficulté est encore accrue lorsqu’on parle d’appareils électriques. La plupart des appareils implantables à long terme sont scellés hermétiquement avec des boîtiers en titane soudés au laser.

“Construire des enceintes étanches et massives pour ce type d’implants représente un défi d’ingénierie”, a déclaré Rogers. “Nous rapportons ici le développement réussi de matériaux qui offrent des niveaux d’isolation similaires, mais avec des membranes minces et flexibles qui sont cent fois plus minces qu’une feuille de papier.”

En raison de la disposition du cerveau humain, l’espace et la flexibilité sont extrêmement importants. Le cerveau humain est composé de dizaines de milliards de neurones, mais les interfaces neuronales existantes ne peuvent échantillonner qu’environ une centaine de sites. Ce défi spécifique a conduit l’équipe de chercheurs à développer de nouvelles approches.

“Vous devez déplacer l’électronique vers les capteurs eux-mêmes et développer une intelligence locale qui peut gérer plusieurs signaux entrants”, a déclaré Viventi. “C’est ainsi que fonctionnent les appareils photo numériques. Vous pouvez avoir des dizaines de millions de pixels sans avoir des dizaines de millions de fils, car de nombreux pixels partagent les mêmes canaux de données.”

Les chercheurs ont pu créer des appareils neuronaux flexibles qui mesurent 25 micromètres d’épaisseur, composés de 360 électrodes.

“Nous avons essayé plusieurs stratégies avant. Le dépôt de polymères aussi minces que requis a résulté en des défauts qui les ont fait échouer, et les polymères plus épais n’avaient pas la flexibilité requise”, a déclaré Viventi. “Mais nous avons finalement trouvé une stratégie qui les dépasse toutes et nous l’avons maintenant fait fonctionner dans le cerveau.”

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Couche de dioxyde de silicium

L’article démontre comment une couche de dioxyde de silicium moins d’un micromètre d’épaisseur, qui est thermiquement cultivée, peut aider à dompter l’environnement dans le cerveau. Le taux de dégradation est de 0,46 nanomètre par jour, mais les petites quantités peuvent se dissoudre dans le corps sans créer de problèmes.

Les chercheurs ont également démontré comment les électrodes dans l’appareil peuvent utiliser la détection capacitive pour détecter l’activité neuronale.

Les nouveaux développements ne sont qu’un des premiers pas pour faire progresser cette technologie. L’équipe travaille maintenant à augmenter le prototype de 1 000 électrodes à plus de 65 000.

“L’un de nos objectifs est de créer un nouveau type de prothèse visuelle qui interagit directement avec le cerveau et qui peut restaurer au moins une partie de la capacité de vision pour les personnes ayant des nerfs optiques endommagés”, a déclaré Viventi. “Mais nous pouvons également utiliser ces types d’appareils pour contrôler d’autres types de prothèses ou dans une large gamme de projets de recherche en neurosciences.”