Les chercheurs étudient couramment la fonction cérébrale en surveillant deux types d'électromagnétisme :les champs électriques et la lumière. Cependant, la plupart des méthodes de mesure de ces phénomènes dans le cerveau sont très invasives.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant mis au point une nouvelle technique pour détecter l'activité électrique ou les signaux optiques dans le cerveau à l'aide d'un capteur mini-invasif pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM).

L'IRM est souvent utilisée pour mesurer les changements dans le flux sanguin qui représentent indirectement l'activité cérébrale, mais l'équipe du MIT a conçu un nouveau type de capteur IRM capable de détecter de minuscules courants électriques, ainsi que la lumière produite par les protéines luminescentes. (Les impulsions électriques proviennent des communications internes du cerveau, et les signaux optiques peuvent être produits par une variété de molécules développées par des chimistes et des bio-ingénieurs.)

"L'IRM offre un moyen de détecter les choses de l'extérieur du corps de manière peu invasive, " dit Aviad Hai, un post-doctorant du MIT et l'auteur principal de l'étude. "Cela ne nécessite pas de connexion filaire dans le cerveau. Nous pouvons implanter le capteur et le laisser là."

Ce type de capteur pourrait donner aux neuroscientifiques un moyen spatialement précis de localiser l'activité électrique dans le cerveau. Il peut également être utilisé pour mesurer la lumière, et pourrait être adapté pour mesurer des produits chimiques tels que le glucose, disent les chercheurs.

Alain Jasanoff, un professeur de génie biologique au MIT, sciences du cerveau et cognitives, et la science et l'ingénierie nucléaires, et membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT, est l'auteur principal de l'article, qui apparaît dans le numéro du 22 octobre de Nature Génie Biomédical . Les post-doctorants Virginia Spanoudaki et Benjamin Bartelle sont également les auteurs de l'article.

Détection des champs électriques

Le laboratoire de Jasanoff a déjà développé des capteurs IRM capables de détecter le calcium et les neurotransmetteurs tels que la sérotonine et la dopamine. Dans ce document, ils voulaient étendre leur approche à la détection de phénomènes biophysiques tels que l'électricité et la lumière. Actuellement, le moyen le plus précis de surveiller l'activité électrique dans le cerveau consiste à insérer une électrode, ce qui est très invasif et peut endommager les tissus. L'électroencéphalographie (EEG) est un moyen non invasif de mesurer l'activité électrique dans le cerveau, mais cette méthode ne permet pas d'identifier l'origine de l'activité.

Pour créer un capteur capable de détecter les champs électromagnétiques avec une précision spatiale, les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient utiliser un appareil électronique, en particulier, une petite antenne radio.

L'IRM fonctionne en détectant les ondes radio émises par les noyaux des atomes d'hydrogène dans l'eau. Ces signaux sont généralement détectés par une grande antenne radio dans un scanner IRM. Pour cette étude, l'équipe du MIT a réduit l'antenne radio à quelques millimètres seulement afin qu'elle puisse être implantée directement dans le cerveau pour recevoir les ondes radio générées par l'eau dans le tissu cérébral.

Le capteur est initialement réglé sur la même fréquence que les ondes radio émises par les atomes d'hydrogène. Lorsque le capteur capte un signal électromagnétique du tissu, son réglage change et le capteur ne correspond plus à la fréquence des atomes d'hydrogène. Quand cela arrive, une image plus faible apparaît lorsque le capteur est scanné par un appareil d'IRM externe.

Les chercheurs ont démontré que les capteurs peuvent capter des signaux électriques similaires à ceux produits par des potentiels d'action (les impulsions électriques déclenchées par des neurones uniques), ou des potentiels de champ locaux (la somme des courants électriques produits par un groupe de neurones).

"Nous avons montré que ces appareils sont sensibles aux potentiels à l'échelle biologique, de l'ordre du millivolt, qui sont comparables à ce que génère le tissu biologique, surtout dans le cerveau, " dit Jasanoff.

Les chercheurs ont effectué des tests supplémentaires sur des rats pour déterminer si les capteurs pouvaient capter des signaux dans les tissus cérébraux vivants. Pour ces expériences, ils ont conçu les capteurs pour détecter la lumière émise par les cellules conçues pour exprimer la protéine luciférase.

Normalement, l'emplacement exact de la luciférase ne peut pas être déterminé lorsqu'elle est profondément dans le cerveau ou d'autres tissus, le nouveau capteur offre donc un moyen d'étendre l'utilité de la luciférase et de localiser plus précisément les cellules qui émettent de la lumière, disent les chercheurs. La luciférase est couramment introduite dans les cellules avec un autre gène d'intérêt, permettant aux chercheurs de déterminer si les gènes ont été incorporés avec succès en mesurant la lumière produite.

Capteurs plus petits

L'un des principaux avantages de ce capteur est qu'il n'a besoin d'aucun type d'alimentation, car les signaux radio émis par le scanner IRM externe suffisent à alimenter le capteur.

Haï, qui rejoindra le corps professoral de l'Université du Wisconsin à Madison en janvier, prévoit de miniaturiser davantage les capteurs afin d'en injecter davantage, permettant l'imagerie de champs lumineux ou électriques sur une plus grande zone du cerveau. Dans ce document, les chercheurs ont effectué une modélisation qui a montré qu'un capteur de 250 microns (quelques dixièmes de millimètre) devrait être capable de détecter une activité électrique de l'ordre de 100 millivolts, similaire à la quantité de courant dans un potentiel d'action neuronal.

Le laboratoire de Jasanoff s'intéresse à l'utilisation de ce type de capteur pour détecter les signaux neuronaux dans le cerveau, et ils envisagent qu'il pourrait également être utilisé pour surveiller des phénomènes électromagnétiques ailleurs dans le corps, y compris les contractions musculaires ou l'activité cardiaque.

"Si les capteurs étaient de l'ordre de centaines de microns, c'est ce que suggère la modélisation dans le futur pour cette technologie, alors vous pourriez imaginer prendre une seringue et en distribuer tout un tas et les laisser là, " dit Jasanoff. "Ce que cela ferait, c'est fournir de nombreuses lectures locales en ayant des capteurs répartis sur tout le tissu."