Des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé un nouveau dispositif pour connecter directement le cerveau aux technologies à base de silicium. Alors que les dispositifs d'interface cerveau-machine existent déjà et sont utilisés pour les prothèses, traitement des maladies et recherche sur le cerveau :ce dernier appareil peut enregistrer plus de données tout en étant moins intrusif que les options existantes.

"Personne n'a pris ces composants électroniques en silicium 2D et les a associés à l'architecture tridimensionnelle du cerveau auparavant, " dit Abdulmalik Obaid, un étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux à Stanford. "Nous avons dû rejeter ce que nous savons déjà sur la fabrication de puces conventionnelles et concevoir de nouveaux processus pour amener l'électronique du silicium dans la troisième dimension. Et nous avons dû le faire d'une manière qui puisse évoluer facilement."

Le dispositif, le sujet d'un article publié le 20 mars dans Avancées scientifiques , contient un faisceau de microfils, avec chaque fil inférieur à la moitié de la largeur des cheveux humains les plus fins. Ces fils minces peuvent être doucement insérés dans le cerveau et connectés à l'extérieur directement à une puce de silicium qui enregistre les signaux électriques cérébraux passant par chaque fil, comme faire un film sur l'activité électrique neuronale. Les versions actuelles de l'appareil comprennent des centaines de microfils, mais les versions futures pourraient en contenir des milliers.

"L'activité électrique est l'une des manières les plus hautes résolutions d'observer l'activité cérébrale, " a déclaré Nick Melosh, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et co-auteur principal de l'article. "Avec ce réseau de microfils, nous pouvons voir ce qui se passe au niveau d'un seul neurone."

Les chercheurs ont testé leur interface cerveau-machine sur des cellules rétiniennes isolées de rats et dans le cerveau de souris vivantes. Dans les deux cas, ils ont réussi à obtenir des signaux significatifs sur les centaines de canaux du réseau. Les recherches en cours détermineront en outre combien de temps l'appareil peut rester dans le cerveau et ce que ces signaux peuvent révéler. L'équipe est particulièrement intéressée par ce que les signaux peuvent leur dire sur l'apprentissage. Les chercheurs travaillent également sur des applications en prothèse, en particulier l'aide à la parole.

La peine d'attendre

Les chercheurs savaient que, pour atteindre leurs objectifs, ils devaient créer une interface cerveau-machine qui ne soit pas seulement durable, mais aussi capable d'établir une connexion étroite avec le cerveau tout en causant des dommages minimes. Ils se sont concentrés sur la connexion à des appareils à base de silicium afin de tirer parti des progrès de ces technologies.

"Les puces de silicium sont si puissantes et ont une incroyable capacité à évoluer, " a déclaré Melosh. "Notre baie s'associe très simplement à cette technologie. Vous pouvez en fait simplement prendre la puce, appuyez-le sur l'extrémité exposée du faisceau et obtenez les signaux. "

L'un des principaux défis auxquels les chercheurs se sont attaqués était de déterminer comment structurer le réseau. Il devait être solide et durable, même si ses principaux composants sont des centaines de fils minuscules. La solution consistait à envelopper chaque fil dans un polymère biologiquement sûr, puis à les regrouper à l'intérieur d'un collier métallique. Cela garantit que les fils sont espacés et correctement orientés. Sous le col, le polymère est retiré afin que les fils puissent être dirigés individuellement dans le cerveau.

Les dispositifs d'interface cerveau-machine existants sont limités à environ 100 fils offrant 100 canaux de signal, et chacun doit être soigneusement placé dans le tableau à la main. Les chercheurs ont passé des années à affiner leurs techniques de conception et de fabrication pour permettre la création d'un réseau avec des milliers de canaux - leurs efforts soutenus, en partie, par une subvention Big Ideas du Wu Tsai Neurosciences Institute.

"La conception de cet appareil est complètement différente de celle de tous les appareils d'enregistrement haute densité existants, et la forme, la taille et la densité du réseau peuvent être simplement modifiées pendant la fabrication. Cela signifie que nous pouvons enregistrer simultanément différentes régions du cerveau à différentes profondeurs avec pratiquement n'importe quel arrangement 3D, " a déclaré Jun Ding, professeur adjoint de neurochirurgie et de neurologie, et co-auteur de l'article. « Si appliqué au sens large, cette technologie excellera grandement dans notre compréhension de la fonction cérébrale dans les états de santé et de maladie."

Après avoir passé des années à poursuivre cette idée ambitieuse mais élégante, ce n'est qu'à la toute fin du processus qu'ils ont eu un appareil qui pouvait être testé dans des tissus vivants.

"Nous avons dû prendre des kilomètres de microfils et produire des réseaux à grande échelle, puis les connecter directement à des puces de silicium, " dit Obaid, qui est l'auteur principal de l'article. "Après des années de travail sur ce design, nous l'avons testé sur la rétine pour la première fois et cela a fonctionné tout de suite. C'était extrêmement rassurant."

Suite à leurs premiers tests sur la rétine et chez la souris, les chercheurs mènent actuellement des études animales à plus long terme pour vérifier la durabilité de la matrice et les performances des versions à grande échelle. Ils explorent également le type de données que leur appareil peut signaler. Les résultats jusqu'à présent indiquent qu'ils pourraient être en mesure de surveiller l'apprentissage et l'échec au fur et à mesure qu'ils se produisent dans le cerveau. Les chercheurs sont optimistes quant à la possibilité d'utiliser un jour la matrice pour améliorer les technologies médicales pour les humains, tels que les prothèses mécaniques et les appareils qui aident à restaurer la parole et la vision.