Les technologies conventionnelles d'électrodes métalliques (en haut à gauche) sont opaques, obstruction des vues du tissu neural sous-jacent. Le programme RE-NET de la DARPA a développé de nouveaux capteurs de graphène qui sont électriquement conducteurs mais seulement 4 atomes d'épaisseur, des centaines de fois plus minces que les contacts actuels (en haut au milieu). Leur extrême finesse permet à presque toute la lumière de traverser une large gamme de longueurs d'onde. Placé sur un support en plastique souple qui épouse la forme du tissu (en bas), les capteurs font partie d'un outil de preuve de concept qui démontre beaucoup plus petit, contacts transparents qui peuvent mesurer et stimuler le tissu neural en utilisant des méthodes électriques et optiques en même temps (en haut à droite).
Comprendre la structure anatomique et la fonction du cerveau est un objectif de longue date en neuroscience et une priorité absolue de l'initiative du président Obama sur le cerveau. La surveillance électrique et la stimulation de la signalisation neuronale est une technique de base pour étudier la fonction cérébrale, tandis que les techniques optiques émergentes - qui utilisent des photons au lieu d'électrons - ouvrent de nouvelles opportunités pour visualiser la structure du réseau neuronal et explorer les fonctions cérébrales. Les techniques électriques et optiques offrent des avantages distincts et complémentaires qui, s'ils sont utilisés ensemble, pourrait offrir de profonds avantages pour l'étude du cerveau à haute résolution. La combinaison de ces technologies est difficile, cependant, car les technologies conventionnelles d'électrodes métalliques sont trop épaisses (> 500 nm) pour être transparent à la lumière, les rendant incompatibles avec de nombreuses approches optiques.
Pour aider à surmonter ces défis, La DARPA a créé un outil de preuve de concept qui démontre des contacts transparents qui peuvent mesurer et stimuler le tissu neural en utilisant des méthodes électriques et optiques en même temps. Des chercheurs de l'Université du Wisconsin à Madison ont développé la nouvelle technologie avec le soutien du programme Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) de la DARPA. Il est décrit en détail dans un article de Communication Nature .
"Cette technologie démontre des capacités potentiellement révolutionnaires pour visualiser et quantifier l'activité des réseaux neuronaux dans le cerveau, " a déclaré Doug Weber, Responsable du programme DARPA. « La capacité de mesurer simultanément l'activité électrique à grande échelle avec une visualisation et une modulation directes de l'anatomie du réseau neuronal pourrait fournir un aperçu sans précédent des relations entre la structure et la fonction du cerveau - et surtout, comment ces relations évoluent avec le temps ou sont perturbées par une blessure ou une maladie. »
Le nouvel appareil utilise du graphène, une forme de carbone récemment découverte, sur un support en plastique souple qui épouse la forme du tissu. Les capteurs de graphène sont électriquement conducteurs mais n'ont que 4 atomes d'épaisseur, soit moins d'un nanomètre et des centaines de fois plus minces que les contacts actuels. Son extrême finesse permet à presque toute la lumière de traverser une large gamme de longueurs d'onde. De plus, le graphène est non toxique pour les systèmes biologiques, une amélioration par rapport aux recherches antérieures sur les contacts électriques transparents beaucoup plus épais, rigide, difficile à fabriquer et tributaire d'alliages métalliques potentiellement toxiques.
La démonstration technologique s'appuie sur trois domaines de recherche de pointe :le graphène, qui a valu aux chercheurs le prix Nobel de physique 2010; microscopie fluorescente super-résolue, qui a valu aux chercheurs le prix Nobel de chimie 2014; et optogénétique, qui implique la modification génétique des cellules pour créer des protéines spécifiques réactives à la lumière.
RE-NET cherche à développer de nouveaux outils et technologies pour comprendre et surmonter les mécanismes de défaillance des interfaces neuronales. La DARPA s'intéresse à l'avancement des neurotechnologies de nouvelle génération pour révéler la relation entre la structure et la fonction du réseau neuronal. RE-NET, et les programmes ultérieurs de la DARPA dans ce domaine, prévoient de tirer parti de ce nouvel outil en mesurant simultanément la fonction, mouvement physique et comportement des neurones chez les sujets en mouvement libre. Cette technologie permet de moduler la fonction neuronale, en appliquant des impulsions électriques ou lumineuses programmées pour activer temporairement les neurones. Par conséquent, il pourrait non seulement fournir une meilleure observation des fonctionnalités natives mais aussi, grâce à une modulation soigneuse de l'activité du circuit, permettre l'exploration des relations causales entre les signaux neuronaux et la fonction cérébrale.
« Historiquement, les chercheurs se sont limités à des études corrélationnelles qui suggèrent, mais ne prouvent pas les liens de causalité entre l'activité neuronale et le comportement, " Weber a dit. "Maintenant, nous avons la possibilité de voir directement, mesurer et stimuler les circuits neuronaux pour explorer ces relations et développer et valider des modèles de fonctionnement des circuits cérébraux. Ces connaissances pourraient grandement aider à comprendre et à traiter les lésions cérébrales et les maladies."
