L'un des plus grands défis des neurosciences cognitives ou de réadaptation est la capacité de concevoir un système hybride fonctionnel qui peut connecter et échanger des informations entre les systèmes biologiques, comme les neurones du cerveau, et les appareils électroniques fabriqués par l'homme. Un grand effort multidisciplinaire de chercheurs en Italie a réuni des physiciens, chimistes, biochimistes, ingénieurs, des biologistes moléculaires et des physiologistes pour analyser la biocompatibilité du substrat utilisé pour connecter ces composants biologiques et anthropiques, et étudier la fonctionnalité des cellules adhérentes, créer un système biohybride vivant.

Dans un article paru cette semaine dans Avances AIP , l'équipe de recherche a utilisé l'interaction entre la lumière et la matière pour étudier les propriétés des matériaux au niveau moléculaire à l'aide de la spectroscopie Raman, une technique qui, jusqu'à maintenant, a été principalement appliqué à la science des matériaux. Grâce au couplage du spectromètre Raman avec un microscope, la spectroscopie devient un outil utile pour étudier les micro-objets tels que les cellules et les tissus. La spectroscopie Raman présente des avantages évidents pour ce type d'investigation :La composition moléculaire et la modification des compartiments subcellulaires peuvent être obtenues dans des conditions sans marqueur avec des méthodes non invasives et dans des conditions physiologiques, permettant l'étude d'une grande variété de processus biologiques à la fois in vitro et in vivo.

Une fois la biocompatibilité du substrat analysée et la fonctionnalité des cellules adhérentes étudiée, la prochaine partie de ce puzzle est la connexion avec le composant électronique. Dans ce cas, un memristor a été utilisé.

« Son nom révèle sa particularité (MEMory ResISTOR), il a une sorte de "mémoire":en fonction de la quantité de tension qui lui a été appliquée dans le passé, il est capable de faire varier sa résistance, en raison d'un changement de ses propriétés physiques microscopiques, " dit Silvia Caponi, physicien au Conseil national italien de la recherche à Rome. En combinant des memristors, il est possible de créer des voies au sein des circuits électriques qui fonctionnent de manière similaire aux synapses naturelles, qui développent un poids variable dans leurs connexions pour reproduire le mécanisme adaptatif/d'apprentissage. Couches de polymères organiques, comme la polyaniline (PANI) un polymère semi-conducteur, ont également des propriétés memristives, leur permettant de travailler directement avec des matériaux biologiques dans un système bio-électronique hybride.

"Nous avons appliqué l'analyse sur un dispositif hybride bio-inspiré mais dans une vision prospective, ce travail fournit la preuve de concept d'une étude intégrée capable d'analyser l'état des cellules vivantes dans une grande variété d'applications qui fusionne les nanosciences, neurosciences et bioélectronique, " a déclaré Caponi. Un objectif naturel à long terme de ce travail serait d'interfacer les machines et les systèmes nerveux de la manière la plus transparente possible.

L'équipe multidisciplinaire est prête à s'appuyer sur cette preuve de principe pour réaliser le potentiel des réseaux memristors.

"Une fois assurée la biocompatibilité des matériaux sur lesquels poussent les neurones, " dit Caponi, « nous voulons définir les matériaux et leurs procédures de fonctionnalisation afin de trouver la meilleure configuration pour l'interface neurone-memristor afin de fournir un système bio-memristif hybride entièrement fonctionnel. »