Les machines s'habituent à nos cellules. Des capteurs intégrables enregistrent comment et quand les neurones se déclenchent ; les électrodes font battre les cellules cardiaques ou les cellules cérébrales se déclenchent ; des dispositifs de type neurone pourraient même favoriser une repousse plus rapide après implantation dans le cerveau.

Bientôt, les interfaces cerveau-machine pourraient faire encore plus :surveiller et traiter les symptômes de troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson, fournir un modèle pour concevoir l'intelligence artificielle, ou même permettre la communication de cerveau à cerveau.

Pour atteindre l'atteignable et le chimérique, Les appareils ont besoin d'un moyen de plonger littéralement plus profondément dans nos cellules pour effectuer une reconnaissance. Plus nous en savons sur le fonctionnement des neurones, plus nous pouvons imiter, reproduire, et les traiter avec nos machines.

Maintenant, dans un article publié dans Nature Nanotechnologie , Charles M. Lieber, le professeur de l'Université Joshua et Beth Friedman, présente une mise à jour de ses dispositifs nanométriques originaux pour l'enregistrement intracellulaire, la première nanotechnologie développée pour enregistrer le bavardage électrique à l'intérieur d'une cellule vivante. Neuf ans plus tard, Lieber et son équipe ont conçu un moyen de fabriquer des milliers de ces appareils à la fois, créer une armée à l'échelle nanométrique qui pourrait accélérer les efforts pour découvrir ce qui se passe à l'intérieur de nos cellules.

Avant le travail de Lieber, des appareils similaires ont fait face à une énigme de Boucle d'or :trop gros, et ils enregistreraient des signaux internes mais tueraient la cellule. Trop petit, et ils n'ont pas réussi à traverser la membrane de la cellule - les enregistrements ont fini par être bruyants et imprécis.

Les nouveaux nanofils de Lieber étaient parfaits. Conçu et rapporté en 2010, les originaux avaient une pointe en forme de "V" à l'échelle nanométrique avec un transistor au bas du "V". Cette conception pourrait percer les membranes cellulaires et renvoyer des données précises à l'équipe sans détruire la cellule.

Mais il y avait un problème. Les nanofils de silicium sont beaucoup plus longs que larges, les rendant bancales et difficiles à disputer. "Ils sont aussi flexibles que des nouilles cuites, " dit Anqi Zhang, un étudiant diplômé du Lieber Lab et l'un des auteurs des derniers travaux de l'équipe.

Pour créer les appareils originaux, les membres du laboratoire devaient piéger une nouille nanofil à la fois, trouver chaque bras du "V, " et ensuite tisser les fils dans l'appareil d'enregistrement. Quelques appareils ont pris 2 à 3 semaines à faire. " C'était un travail très fastidieux, " dit Zhang.

Mais les nanofils ne sont pas fabriqués un à la fois; ils sont fabriqués en masse comme ce à quoi ils ressemblent :des spaghettis cuits. En utilisant la méthode vapeur-liquide-solide catalysée par nanocluster, que Lieber a utilisé pour créer les premiers nanofils, l'équipe construit un environnement où les fils peuvent germer d'eux-mêmes. Ils peuvent prédéterminer le diamètre et la longueur de chaque fil, mais pas la façon dont les fils sont positionnés une fois prêts. Même s'ils font pousser des milliers voire des millions de nanofils à la fois, le résultat final est un gâchis de spaghettis invisibles.

Pour démêler le désordre, Lieber et son équipe ont conçu un piège pour leurs nouilles cuites en vrac :ils font des tranchées en forme de U sur une plaquette de silicium, puis peignent les nanofils sur la surface. Ce processus de "peignage" démêle le désordre et dépose chaque nanofil dans un trou en forme de U soigné. Puis, chaque courbe en "U" reçoit un minuscule transistor, similaire au bas de leurs appareils en forme de "V".

Avec la méthode "peignage", Lieber et son équipe réalisent des centaines de dispositifs à nanofils dans le même temps qu'ils n'en fabriquaient qu'un couple. "Parce qu'ils sont très bien alignés, ils sont très faciles à contrôler, " dit Zhang.

Jusque là, Zhang et ses collègues ont utilisé les dispositifs nanométriques en forme de « U » pour enregistrer des signaux intracellulaires dans les cellules neurales et cardiaques des cultures. Enduit d'une substance qui imite la sensation d'une membrane cellulaire, les nanofils peuvent traverser cette barrière avec un minimum d'effort ou de dommages à la cellule. Et, ils peuvent enregistrer le bavardage intracellulaire avec le même niveau de précision que leur plus grand concurrent :les électrodes patch clamp.

Les électrodes patch clamp sont environ 100 fois plus grosses que les nanofils. Comme le nom le suggère, l'outil serre la membrane d'une cellule, causant des dommages irréversibles. L'électrode patch clamp peut capturer un enregistrement stable des signaux électriques à l'intérieur des cellules. Mais, Zhang dit, "après l'enregistrement, la cellule meurt."

Les dispositifs nanométriques en forme de "U" de l'équipe Lieber sont plus conviviaux pour leurs hôtes cellulaires. "Ils peuvent être insérés dans plusieurs cellules en parallèle sans causer de dommages, " dit Zhang.

À l'heure actuelle, les appareils sont si doux que la membrane cellulaire les repousse après environ 10 minutes d'enregistrement. Pour étendre cette fenêtre avec leur prochain design, l'équipe peut ajouter un peu de colle biochimique à la pointe ou rendre les bords rugueux afin que le fil s'accroche contre la membrane.

Les dispositifs nanométriques ont un autre avantage par rapport au patch clamp :ils peuvent enregistrer plus de cellules en parallèle. Avec les pinces, les chercheurs ne peuvent collecter que quelques enregistrements cellulaires à la fois. Pour cette étude, Zhang a enregistré jusqu'à dix cellules à la fois. "Potentiellement, cela peut être beaucoup plus grand, " dit-elle. Plus ils peuvent enregistrer de cellules à la fois, plus ils peuvent voir comment les réseaux de cellules interagissent les uns avec les autres comme ils le font chez les créatures vivantes.

Dans le processus de mise à l'échelle de leur conception de nanofils, l'équipe a également confirmé une théorie de longue date, appelée hypothèse de courbure. Après que Lieber ait inventé les premiers nanofils, les chercheurs ont émis l'hypothèse que la largeur de la pointe d'un nanofil (le bas du « V » ou du « U ») peut affecter la réponse d'une cellule au fil. Pour cette étude, l'équipe a expérimenté plusieurs courbes en "U" et tailles de transistor. Les résultats ont confirmé l'hypothèse originale :les cellules ressemblent à une pointe étroite et à un petit transistor.

"La beauté de la science pour beaucoup, nous-mêmes inclus, a de tels défis pour conduire des hypothèses et des travaux futurs, " dit Lieber. Avec le défi de l'évolutivité derrière eux, l'équipe espère capturer des enregistrements encore plus précis, peut-être au sein de structures subcellulaires, et enregistrer les cellules chez les créatures vivantes.

Mais pour Lieber, un défi cerveau-machine est plus attrayant que tous les autres :« amener les cyborgs à la réalité ».