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Les chercheurs ont développé des capteurs à l'échelle nanométrique qui pourraient être injectés dans le corps pour suivre de manière non invasive l'activité cérébrale à l'aide de la lumière. L'approche pourrait un jour offrir une nouvelle façon d'étudier le cerveau ou d'évaluer le fonctionnement du cerveau des patients sans avoir besoin de chirurgie ou de dispositifs implantés.
A. Ali Yanik de l'Université de Californie, Santa Cruz, rendra compte de la technologie, appelé NeuroSWARM 3 , au congrès virtuel OSA Imaging and Applied Optics Congress qui s'est tenu du 19 au 23 juillet. La présentation de Yanik est prévue mardi.
"NeuroSWARM 3 peut convertir les signaux qui accompagnent les pensées en signaux mesurables à distance pour un interfaçage cerveau-machine de haute précision, " a déclaré Yanik. " Cela permettra aux personnes souffrant de handicaps physiques d'interagir efficacement avec le monde extérieur et de contrôler la technologie de l'exosquelette portable pour surmonter les limitations du corps. Il pourrait également détecter les premières signatures de maladies neuronales. »
L'approche offre une nouvelle façon de surveiller l'activité électrique dans le cerveau à l'aide d'une sonde système sur nanoparticules dont la taille est comparable à celle d'une particule virale. Les neurones utilisent des signaux électriques pour se transmettre des informations, rendre ces signaux cruciaux pour la pensée, mémoire et mouvement. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes établies pour suivre l'activité électrique du cerveau, la plupart nécessitent une intervention chirurgicale ou des dispositifs implantés pour pénétrer dans le crâne et s'interfacer directement avec les neurones.
Les chercheurs ont nommé leur nouvelle technologie Neurophotonic Solution-dispersible Wireless Activity Reporters for Massively Multiplexed Measurements, ou NeuroSWARM 3 .
L'approche consiste à introduire dans le cerveau des nanoparticules électroplasmoniques modifiées qui convertissent les signaux électriques en signaux optiques, permettant de suivre l'activité cérébrale avec un détecteur optique de l'extérieur du corps.
Les nanoparticules sont constituées d'un noyau d'oxyde de silicium mesurant 63 nanomètres de diamètre avec une fine couche de poly chargé électrochrome (3, 4-éthylènedioxythiophène) et une couche d'or de 5 nanomètres d'épaisseur. Parce que leur revêtement leur permet de traverser la barrière hémato-encéphalique, ils pourraient être injectés dans la circulation sanguine ou directement dans le liquide céphalo-rachidien.
Une fois dans le cerveau, les nanocapteurs sont très sensibles aux changements locaux du champ électrique. Dans les tests de laboratoire, prototypes in vitro du NeuroSWARM 3 ont pu générer un rapport signal/bruit supérieur à 1, 000, un niveau de sensibilité adapté à la détection du signal électrique généré lorsqu'un seul neurone se déclenche.
« Nous avons été les premiers à utiliser des polymères électrochromes (par exemple, PEDOT : PSS), pour la détection optique (sans fil) de signaux électrophysiologiques, " Yanik a ajouté. " Les matériaux électrochromes avec des propriétés optiques qui peuvent être modulées de manière réversible par un champ externe sont classiquement utilisés pour les applications de verre/miroir intelligent. "
NeuroSWARM 3 peut être considérée comme une antenne plasmonique à charge électrochrome nanométrique fonctionnant à l'envers :au lieu d'appliquer une tension connue, ses propriétés optiques sont modulées par les cellules électrogènes de pointe dans son voisinage. D'où, NeuroSWARM 3 fournit une capacité de détection de signal bioélectrique en champ lointain dans un seul dispositif à nanoparticules qui contient une alimentation sans fil, capacités de détection de signaux électrophysiologiques et de diffusion de données dans des dimensions nanométriques.
Les signaux optiques générés par NeuroSWARM 3 les particules peuvent être détectées de l'extérieur du cerveau en utilisant une lumière proche infrarouge avec des longueurs d'onde comprises entre 1, 000-1, 700 nm. Les nanoparticules peuvent fonctionner indéfiniment sans nécessiter une source d'alimentation ou des fils.
D'autres chercheurs ont exploré une approche similaire en utilisant des points quantiques conçus pour répondre aux champs électriques. En comparant les deux technologies, les chercheurs ont découvert NeuroSWARM 3 génère un signal optique supérieur de quatre ordres de grandeur. Les points quantiques nécessitaient une intensité lumineuse dix fois plus élevée et cent fois plus de sondes pour générer un signal comparable.
"Nous n'en sommes qu'aux premiers stades de cette nouvelle technologie, mais je pense que nous avons une bonne base sur laquelle construire, ", a déclaré Yanik. "Notre prochain objectif est de commencer des expériences sur des animaux."
En plus de Yanik, les co-auteurs de cette étude comprennent les étudiants diplômés de l'UCSC Neil Hardy, Ahsan Habib, et la chercheuse de premier cycle Tanya Ivanov.
