(Phys.org)—Les interfaces cerveau-machine (IMC) sont essentiellement des gadgets. La raison pour laquelle vous n'en entendez pas tant parler ces jours-ci, c'est parce que, dans la plénitude du temps, un avantage tangible important pour un utilisateur ne s'est pas matérialisé. Simplement déclaré, ni des réseaux de microélectrodes épineux, des remaniements optogénétiques déchirants de notre physiologie, ni tatouer nos cerveaux avec des fluorescents toxiques ne nous donnera jamais ce dont nous avons besoin. D'autre part, si vous pouvez regarder de loin les pointes indigènes bouillonner à travers les voies axonales, sans aucun des dangers susmentionnés, vous pourriez être sur quelque chose.

Alors que tout chercheur sérieux sur le cerveau doit être pleinement conscient de ces vérités à un certain niveau, toute admission collective en tant que telle nécessiterait de se débarrasser de plusieurs fondements de base du domaine. Pour commencer, cela signifie abandonner l'idée que les pointes sont entièrement décrites par les épiphénomènes strictement électriques que les chercheurs amplifient sur leurs oscilloscopes. En d'autres termes, représenter les axones comme des circuits équivalents dissipant de manière irréversible leur énergie de pointe à travers diverses impédances est insuffisant. Heureusement, une masse critique de chercheurs a maintenant développé des outils pour sonder la physique intrinsèque plus large de la pointe. L'objectif est de développer une théorie plus générale de l'excitabilité dans les cellules qui puisse expliquer tous les changements physiques observés (comme la dimension, pression et température). Leur sauce secrète, ce qui finira par produire des appareils cérébraux que nous convoitons, est une détection optique sans marquage des pointes mécaniques.

Bien qu'il y ait une longue histoire de travail dans ce domaine, plusieurs articles récents suggèrent que nous commençons enfin à comprendre cette physique. Le premier article utilise la méthode éprouvée de l'interférométrie à fibre optique pour détecter les changements à l'échelle nanométrique de la longueur du chemin optique qui se produisent lorsque les cellules présentent un pic. Le deuxième article parvient à extraire des excursions d'échelle de 0,2 nm dans l'enveloppe cellulaire pendant les pics en utilisant des techniques de soustraction d'images et de débruitage. Finalement, un troisième ensemble rend compte des énormes déplacements à l'échelle du micron dans les cellules végétales de Chara, et revisite la question intrigante de ce qui se passe lorsque des pointes se déplaçant dans des directions opposées entrent en collision.

Peut-on faire des IMC pratiques avec des interféromètres ?

Pour que les IMC pratiques répandus deviennent une réalité, ils devront probablement être petits. Interféromètres de Michelson classiques, le genre que chaque majeure en physique recrée à un moment donné dans un cours de laboratoire, n'ont généralement pas été associés à la compacité ou à la configurabilité. Bien qu'il soit adapté à des choses comme réfuter l'éther ou apercevoir des ondes gravitationnelles à l'aide de pattes optiques massives, Les interféromètres de Michelson ne sont pas toujours le premier choix pour les expériences biologiques. Au lieu, l'interféromètre de Mach-Zehnder est souvent utilisé car chacun de ses chemins lumineux bien séparés n'est parcouru qu'une seule fois, ce qui le rend beaucoup plus polyvalent. Les modulateurs Mach-Zehnder peuvent désormais être construits sous forme de circuits intégrés monolithiques qui ont des réponses électro-optiques en amplitude et en phase à large bande passante sur une plage de fréquences de plusieurs GHz.

Malgré les avantages apparents du Mach Zehnder, L'auteur Digant Dave du premier article a déclaré qu'ils utilisaient l'interféromètre de Michelson pour leurs expériences parce que la topologie du chemin commun donne une sensibilité axiale très élevée. En particulier, ils peuvent mesurer des déplacements inférieurs à 0,1 nm dans une préparation cellulaire in vitro. La taille du spot du faisceau de la sonde est d'environ 4,5 m et un SNR élevé est obtenu en intercalant les neurones entre deux morceaux de verre. Les impulsions optiques enregistrées allaient de 20 à 300 ms (principalement moins de 50 ms), ce qui est un peu plus long que la plage de 5 à 7 ms pour les pointes qu'ils ont enregistrées via le patch clamp.

J'ai demandé à Dave comment une implémentation d'un scanner nerveux 2D in vivo de sa configuration in vitro pourrait théoriquement être réalisée. Il a dit que les pointes de fibre elles-mêmes pouvaient être aussi petites que 1 mm et être utilisées dans l'un ou l'autre des deux modes :ou acquérir des images 2D tout en balayant la longueur d'onde de la source lumineuse d'entrée. À un millimètre de diamètre chacun, Je pense qu'il devrait être possible d'enfiler plusieurs de ces sondes dans le système ventriculaire du cerveau afin de balayer les vastes voies axonales qui tapissent les parois des 3e et 4e ventricules. Juste en dessous du cervelet se trouvent plusieurs évents naturels qui font circuler le LCR pour équilibrer la pression. En particulier, les foramens de Magendi et de Lushka conviendraient parfaitement à cette fin.

Dans l'attente d'une nouvelle miniaturisation, une grande partie du matériel pour le traitement du signal et peut-être même la préparation du faisceau optique peuvent encore devoir rester étroitement apposés ou attachés à l'extérieur du corps. D'une préoccupation plus immédiate que le matériel cependant, seraient les effets de la myéline sur le signal. À ce jour, la plupart des études ont été réalisées en utilisant des axones nus ou des cellules végétales dénudées de leur paroi cellulaire. La myéline pourrait absorber ou atténuer les impulsions mécaniques et thermiques, ou très probablement, cela pourrait avoir un effet amplificateur sur d'autres variables comme la pression. Par exemple, lorsque les cellules de Chara ont été « plasmalysées », comme indiqué dans le troisième article, éliminer la paroi cellulaire et la pression de turgescence associée qu'elle procure, les plus petits déplacements à l'échelle de 100 nm ont été convertis en déplacements à l'échelle du micron.

J'ai demandé à Digant ce qu'il pensait de la perspective de mesurer les déplacements sans interféromètres, comme cela a été rapporté dans le deuxième article mentionné. Bien qu'il ait noté que la sensibilité de 0,2 nm était très impressionnante pour un champ clair standard, il a observé que ces mesures étaient faites latéralement dans l'enveloppe de la cellule et nécessitaient un moyennage important de centaines d'images. Les auteurs ont également pu simultanément patcher les cellules pour comparer l'amplitude et la phase du pic enregistré électriquement, cependant, cela lui-même peut compliquer les mesures mécaniques. En ce qui concerne la mise en œuvre de ce type d'enregistrement comme IMC, Je pense qu'il y aurait beaucoup de difficultés.

Une question en suspens concernant les pointes est de savoir si elles ont des composants non dissipatifs importants. Amoing d'autres choses, cela aurait apparemment une incidence importante sur la quantité d'énergie dont ils ont besoin et qu'ils transportent. Des études récentes ont tenté de déterminer exactement de combien d'ATP différents types de neurones ont besoin pour se doter, Cependant, il semble que bon nombre de leurs hypothèses sous-jacentes soient douteuses. Digant rapporte que de nombreuses impulsions optiques ont des composants dissipatifs, comme l'indiquent plusieurs cycles d'oscillation décroissante après stimulation. Il prévoit de commencer des études utilisant la stimulation optogénétique pour éliminer tout artefact introduit par le patch clamp.

Un bon moyen de comprendre ce qui se passe dans les cellules de pointe est d'observer ce qui se passe lorsque les impulsions entrent en collision. En d'autres termes, s'annihilent-ils en raison de la relaxation des canaux ioniques comme le prédit la théorie, ou peuvent-ils se traverser ? Des recherches antérieures ont montré que les pointes se propagent naturellement dans des directions opposées le long des axones, et en outre que dans certains cas, ils peuvent se traverser sans être affectés. D'autres travaux ont également montré que la vitesse, l'amplitude et la forme de la pointe dépendent normalement de la direction dans laquelle elle se dirige. Les études les plus récentes rapportées ici pour les collisions dans les cellules Chara ont révélé que les pointes enregistrées électriquement s'annihilent principalement lors de la collision.

Les auteurs suggèrent que d'un point de vue acoustique, l'annihilation peut être le résultat de propriétés matérielles non linéaires de l'ensemble du milieu excitable. Parce qu'il y a eu des divergences entre la phase et les directions de l'expansion cellulaire dans différentes études en ce qui concerne l'évolution dans le temps du pic électrique, des enregistrements optiques de collision seraient probablement instructifs. Notons que dans les axones, différents compartiments protéiques et lipidiques peuvent porter différentes formes d'excitation. Par exemple, tandis que les canaux ioniques sont généralement associés au pic électrique, des phénomènes d'onde de type soliton peuvent se propager dans les membranes nues. Dans les premiers jours, les articles originaux de Hodgkin-Huxley suggéraient que les dipôles membranaires eux-mêmes pourraient être responsables des potentiels d'action.

Par ailleurs, le cytosquelette d'actine peut également propager l'excitation (bien que les impulsions soient généralement plus longues que dans la contraction musculaire), et aussi le cytosquelette de tubuline semble soutenir l'excitation et l'oscillation. Comme mentionné, la myéline y contribue probablement aussi, peut-être même par d'autres processus physiques comme la propagation des changements de phase dans les composants lipidiques. Une chose que nous pouvons garder à l'esprit pour les mesures in vivo (en particulier pour les nerfs groupés) est que différents faisceaux peuvent former leur propre sandwich optique qui peut être utilisé pour la longueur de chemin optique de référence comme cela a été fait pour le travail in vitro de Digand.

Un des plus négligés, mais peut-être la source la plus importante d'excitation dans les cellules ou les axones peut être les mitochondries. Dans les cellules cardiaques, par exemple, la réponse dite « mitoflash », coordonné par jusqu'à 8000 mitochondries par cellule, maintient avec précision le « point de consigne » ATP sur une charge de travail qui décuple. Cette excitation mitoflash est elle-même composée de plusieurs composantes différentes; ce qu'on appelle des « étincelles redox », calcium, NADPH, protons, et d'autres molécules ont toutes été enregistrées, sans parler des études récentes montrant que l'intérieur des mitochondries en respiration active peut dépasser 50 degrés C. Bien que controversé, anion superoxyde, parfois associée à un contrôle direct du vieillissement et de la durée de vie, a également été présumé être détecté par différentes sondes mitoflash.

Étant donné que les mitochondries sont concentrées aux entre-nœuds axonaux, il est tout à fait possible qu'elles contribuent de manière significative à la conduction saltatoire des pointes dans les axones myélinisés. Considérant que le potentiel membranaire dans les mitochondries est au moins le double de celui de la cellule elle-même, et il vient dans de nombreux petits paquets et mobiles par neurone, ce n'est peut-être pas trop surprenant. L'excitabilité de la cellule entière serait alors contrôlée par la dispersion ou l'agrégation de mitochondries dans diverses formations, peut-être semblable à la façon dont la couleur de la peau est contrôlée par la mobilisation stratégique des mélanosomes. Plus localement, il a été démontré que le mitoflash contrôle la taille et la morphologie des épines dendritiques, conduisant à des spéculations gratuites sur la mémoire.

Pour les IMC, beaucoup souhaitent être un jour pratiques, non seulement une théorie des pointes sera indispensable, mais je suggérerais aussi la capacité de détecter, créer, ou les détruire par les mêmes processus physiques qui les soutiennent naturellement.

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