Implant sans fil et sans batterie avec contrôle avancé sur les groupes de neurones ciblés. Crédit :Philipp Gutruf
Philipp Gutruf, professeur de génie biomédical à l'Université d'Arizona, est le premier auteur de l'article Entièrement implantable, systèmes optoélectroniques pour sans batterie, opération multimodale dans la recherche en neurosciences, Publié dans Nature Électronique .
L'optogénétique est une technique biologique qui utilise la lumière pour activer ou désactiver des groupes de neurones spécifiques dans le cerveau. Par exemple, les chercheurs pourraient utiliser la stimulation optogénétique pour restaurer le mouvement en cas de paralysie ou, à l'avenir, pour désactiver les zones du cerveau ou de la colonne vertébrale qui causent de la douleur, éliminer le besoin et la dépendance croissante aux opioïdes et autres analgésiques.
"Nous fabriquons ces outils pour comprendre le fonctionnement des différentes parties du cerveau, " a déclaré Gutruf. " L'avantage avec l'optogénétique est que vous avez une spécificité cellulaire :vous pouvez cibler des groupes spécifiques de neurones et étudier leur fonction et leur relation dans le contexte de l'ensemble du cerveau. "
En optogénétique, les chercheurs chargent des neurones spécifiques avec des protéines appelées opsines, qui convertissent la lumière en potentiels électriques qui constituent la fonction d'un neurone. Lorsqu'un chercheur éclaire une zone du cerveau, il active uniquement les neurones chargés d'opsine.
Les premières itérations de l'optogénétique consistaient à envoyer de la lumière au cerveau à travers des fibres optiques, ce qui signifiait que les sujets du test étaient physiquement attachés à une station de contrôle. Les chercheurs ont ensuite développé une technique sans batterie utilisant l'électronique sans fil, ce qui signifiait que les sujets pouvaient se déplacer librement.
Mais ces appareils avaient toujours leurs propres limites :ils étaient volumineux et souvent attachés visiblement à l'extérieur du crâne, ils ne permettaient pas un contrôle précis de la fréquence ou de l'intensité de la lumière, et ils ne pouvaient stimuler qu'une zone du cerveau à la fois.
Analyse d'image combinée avec les résultats de l'IRM et de la tomodensitométrie superposés sur un rendu 3D de l'animal implanté avec le dispositif multi--ILED bilatéral programmable. Crédit :Philipp Gutruf
Prendre plus de contrôle et moins d'espace
« Avec cette recherche, nous sommes allés deux à trois étapes plus loin, " a déclaré Gutruf. " Nous avons pu mettre en œuvre un contrôle numérique de l'intensité et de la fréquence de la lumière émise, et les appareils sont très miniaturisés, afin qu'ils puissent être implantés sous le cuir chevelu. On peut aussi stimuler indépendamment plusieurs endroits dans le cerveau d'un même sujet, ce qui n'était pas possible avant."
La capacité de contrôler l'intensité de la lumière est essentielle car elle permet aux chercheurs de contrôler exactement quelle partie du cerveau la lumière affecte - plus la lumière est brillante, plus il ira loin. En outre, contrôler l'intensité lumineuse, c'est contrôler la chaleur générée par les sources lumineuses, et éviter l'activation accidentelle de neurones activés par la chaleur.
Le sans fil, les implants sans pile sont alimentés par des champs magnétiques oscillants externes, et, malgré leurs capacités avancées, ne sont pas significativement plus gros ou plus lourds que les versions précédentes. En outre, une nouvelle conception d'antenne a éliminé un problème rencontré par les versions antérieures des dispositifs optogénétiques, dans lequel la force du signal transmis à l'appareil variait en fonction de l'angle du cerveau :un sujet tournerait la tête et le signal s'affaiblirait.
"Ce système a deux antennes dans une enceinte, dont nous faisons basculer le signal très rapidement afin de pouvoir alimenter l'implant dans n'importe quelle orientation, " dit Gutruf. " A l'avenir, cette technique pourrait fournir des implants sans pile qui fournissent une stimulation ininterrompue sans qu'il soit nécessaire de retirer ou de remplacer l'appareil, résultant en des procédures moins invasives que les stimulateurs cardiaques ou les techniques de stimulation actuelles."
Les dispositifs sont implantés avec une procédure chirurgicale simple similaire aux chirurgies dans lesquelles les humains sont équipés de neurostimulateurs, ou "stimulateurs cérébraux". Ils ne provoquent aucun effet indésirable chez les sujets, et leur fonctionnalité ne se dégrade pas dans le corps au fil du temps. Cela pourrait avoir des implications pour les dispositifs médicaux comme les stimulateurs cardiaques, qui doivent actuellement être remplacés tous les cinq à 15 ans.
L'article a également démontré que les animaux implantés avec ces dispositifs peuvent être imagés en toute sécurité par tomographie par ordinateur, ou CT, et l'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, qui permettent des informations avancées sur les paramètres cliniquement pertinents tels que l'état des os et des tissus et le placement de l'appareil.
