Des paires de fibres de nanotubes de carbone ont été testées pour une utilisation potentielle comme électrodes implantables pour traiter des patients atteints de troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson. Les fibres inventées à l'Université Rice se sont avérées bien meilleures que les fils métalliques maintenant utilisés pour stimuler les neurones du cerveau. Crédit :Pasquali Lab/Rice University
Les fibres de nanotubes de carbone inventées à l'Université Rice pourraient constituer le meilleur moyen de communiquer directement avec le cerveau.
Les fibres se sont avérées supérieures aux électrodes métalliques pour la stimulation cérébrale profonde et pour lire les signaux d'un réseau neuronal. Parce qu'ils fournissent une connexion bidirectionnelle, ils sont prometteurs pour traiter les patients atteints de troubles neurologiques tout en surveillant la réponse en temps réel des circuits neuronaux dans les zones qui contrôlent le mouvement, l'humeur et les fonctions corporelles.
De nouvelles expériences à Rice ont démontré que les fibres biocompatibles sont des candidats idéaux pour les petites, des électrodes sûres qui interagissent avec le système neuronal du cerveau, selon les chercheurs. Ils pourraient remplacer des électrodes beaucoup plus grosses actuellement utilisées dans les dispositifs de thérapies de stimulation cérébrale profonde chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.
Ils peuvent également faire progresser les technologies pour restaurer les fonctions sensorielles ou motrices et les interfaces cerveau-machine ainsi que les thérapies de stimulation cérébrale profonde pour d'autres troubles neurologiques, y compris la dystonie et la dépression, les chercheurs ont écrit.
L'article est paru en ligne cette semaine dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
Les fibres créées par le laboratoire Rice du chimiste et ingénieur chimiste Matteo Pasquali sont constituées de faisceaux de longs nanotubes destinés à l'origine à des applications aérospatiales où la résistance, le poids et la conductivité sont primordiaux.
Les nanotubes individuels ne mesurent que quelques nanomètres de diamètre, mais quand des millions sont regroupés dans un processus appelé filage humide, ils deviennent des fibres filiformes d'environ un quart de la largeur d'un cheveu humain.
"Nous avons développé ces fibres comme à haute résistance, matériaux à haute conductivité, " dit Pasquali. " Pourtant, une fois que nous les avons eus en main, on s'est rendu compte qu'ils avaient une propriété inattendue :ils sont vraiment doux, un peu comme un fil de soie. Leur combinaison unique de force, la conductivité et la douceur les rendent idéales pour s'interfacer avec la fonction électrique du corps humain."
L'arrivée simultanée en 2012 de Caleb Kemere, un professeur adjoint Rice qui a apporté son expertise dans les modèles animaux de la maladie de Parkinson, et auteur principal Flavia Vitale, un chercheur dans le laboratoire de Pasquali avec des diplômes en génie chimique et biomédical, a suscité l'enquête.
"Le cerveau a essentiellement la consistance d'un pudding et n'interagit pas bien avec des électrodes métalliques rigides, " a déclaré Kemere. " Le rêve est d'avoir des électrodes avec la même consistance, et c'est pourquoi nous sommes vraiment enthousiasmés par ces fibres de nanotubes de carbone flexibles et leur biocompatibilité à long terme."
Des tests de plusieurs semaines sur des cellules, puis sur des rats présentant des symptômes de la maladie de Parkinson, ont prouvé que les fibres sont stables et aussi efficaces que les électrodes de platine commerciales à seulement une fraction de la taille. Les fibres molles ont causé peu d'inflammation, qui a aidé à maintenir de solides connexions électriques avec les neurones en empêchant les défenses du corps de cicatriser et d'encapsuler le site de la blessure.
Les fibres de nanotubes de carbone hautement conductrices présentent également une impédance beaucoup plus favorable - la qualité de la connexion électrique - que les électrodes métalliques de pointe, permettant un meilleur contact à des tensions plus faibles sur de longues périodes, dit Kemere.
L'extrémité de travail de la fibre est la pointe exposée, qui correspond à peu près à la largeur d'un neurone. Le reste est recouvert d'une couche de trois microns d'un flexible, polymère biocompatible avec d'excellentes propriétés isolantes.
Flavia Vitale, chercheur postdoctoral à Rice, prépare des fibres de nanotubes de carbone pour les tests. Vitale est l'auteur principal d'une nouvelle étude qui a déterminé que les fibres filiformes constituées de millions de nanotubes de carbone pourraient convenir comme électrodes pour stimuler le cerveau des patients atteints de maladies neurologiques. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Le défi consiste à placer les pointes. "C'est vraiment juste une question d'avoir un atlas du cerveau, et pendant l'expérience en ajustant les électrodes très délicatement et en les mettant au bon endroit, " dit Kemere, dont le laboratoire étudie les moyens de connecter les systèmes de traitement du signal et les centres mémoriels et cognitifs du cerveau.
Les médecins qui implantent des appareils de stimulation cérébrale profonde commencent par une sonde d'enregistrement capable « d'écouter » les neurones qui émettent des signaux caractéristiques selon leurs fonctions, dit Kemere. Une fois qu'un chirurgien trouve le bon endroit, la sonde est retirée et l'électrode de stimulation insérée doucement. Des fibres de nanotubes de carbone de riz qui envoient et reçoivent des signaux simplifieraient l'implantation, dit Vitale.
Les fibres pourraient conduire à des dispositifs thérapeutiques autorégulateurs pour la maladie de Parkinson et d'autres patients. Les dispositifs actuels comprennent un implant qui envoie des signaux électriques au cerveau pour calmer les tremblements qui affligent les patients atteints de la maladie de Parkinson.
"Mais notre technologie permet d'enregistrer tout en stimulant, " a déclaré Vitale. " Les électrodes actuelles ne peuvent que stimuler les tissus. Ils sont trop gros pour détecter une activité de pointe, Donc, fondamentalement, les appareils cliniques envoient des impulsions continues quelle que soit la réponse du cerveau. »
Kemere prévoit un système en boucle fermée capable de lire les signaux neuronaux et d'adapter la thérapie de stimulation en temps réel. Il prévoit de construire un appareil avec de nombreuses électrodes qui peuvent être adressées individuellement pour obtenir un contrôle précis de la stimulation et de la surveillance à partir d'un petit, dispositif implantable.
"De façon intéressante, la conductivité n'est pas la propriété électrique la plus importante des fibres de nanotubes, " a déclaré Pasquali. "Ces fibres sont intrinsèquement poreuses et extrêmement stables, qui sont tous deux de grands avantages par rapport aux électrodes métalliques pour détecter les signaux électrochimiques et maintenir les performances sur de longues périodes de temps."
