Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un implant neuronal qui fournit des informations sur l'activité au plus profond du cerveau lorsqu'il est assis à sa surface. L’implant est constitué d’une fine bande de polymère transparente et flexible contenant un réseau dense d’électrodes de graphène. La technologie, testée sur des souris transgéniques, rapproche les chercheurs de la création d'une interface cerveau-ordinateur (BCI) mini-invasive qui fournit des données haute résolution sur l'activité neuronale profonde en utilisant des enregistrements de la surface du cerveau.
Les travaux sont publiés dans Nature Nanotechnology .
"Nous élargissons la portée spatiale des enregistrements neuronaux grâce à cette technologie", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Duygu Kuzum, professeur au Département de génie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego. "Même si notre implant réside à la surface du cerveau, sa conception dépasse les limites de la détection physique dans la mesure où il peut déduire l'activité neuronale des couches plus profondes."
Ce travail surmonte les limites des technologies actuelles d’implant neuronal. Les réseaux de surface existants, par exemple, sont peu invasifs, mais ils n'ont pas la capacité de capturer des informations au-delà des couches externes du cerveau. En revanche, les réseaux d'électrodes dotés de fines aiguilles qui pénètrent dans le cerveau sont capables de sonder les couches plus profondes, mais ils entraînent souvent une inflammation et des cicatrices, compromettant la qualité du signal au fil du temps.
Le nouvel implant neuronal développé à l'UC San Diego offre le meilleur des deux mondes.
L'implant est une fine bande de polymère transparente et flexible qui épouse la surface du cerveau. La bande est incrustée d’un réseau haute densité de minuscules électrodes circulaires en graphène, chacune mesurant 20 micromètres de diamètre. Chaque électrode est connectée par un fil de graphène d'une épaisseur de quelques micromètres à un circuit imprimé.
Lors de tests sur des souris transgéniques, l’implant a permis aux chercheurs de capturer simultanément des informations à haute résolution sur deux types d’activité neuronale :l’activité électrique et l’activité calcique. Lorsqu’il est placé à la surface du cerveau, l’implant enregistre les signaux électriques des neurones des couches externes. Dans le même temps, les chercheurs ont utilisé un microscope à deux photons pour projeter une lumière laser à travers l'implant afin d'imager les pointes de calcium provenant de neurones situés jusqu'à 250 micromètres sous la surface.
Les chercheurs ont découvert une corrélation entre les signaux électriques de surface et les pics de calcium dans les couches plus profondes. Cette corrélation a permis aux chercheurs d'utiliser des signaux électriques de surface pour entraîner les réseaux neuronaux à prédire l'activité du calcium, non seulement pour de grandes populations de neurones, mais également pour des neurones individuels, à différentes profondeurs.
"Le modèle de réseau neuronal est formé pour apprendre la relation entre les enregistrements électriques de surface et l'activité des ions calcium des neurones en profondeur", a déclaré Kuzum. "Une fois qu'il aura appris cette relation, nous pourrons utiliser le modèle pour prédire l'activité en profondeur depuis la surface."
L’un des avantages de pouvoir prédire l’activité du calcium à partir de signaux électriques est qu’il surmonte les limites des expériences d’imagerie. Lors de l’imagerie des pointes de calcium, la tête du sujet doit être fixée au microscope. De plus, ces expériences ne peuvent durer qu'une heure ou deux à la fois.
"Puisque les enregistrements électriques ne présentent pas ces limitations, notre technologie permet de mener des expériences de plus longue durée dans lesquelles le sujet est libre de se déplacer et d'effectuer des tâches comportementales complexes", a déclaré Mehrdad Ramezani, co-auteur de l'étude. doctorat étudiant dans le laboratoire de Kuzum. "Cela peut fournir une compréhension plus complète de l'activité neuronale dans des scénarios dynamiques et réels."
La technologie doit son succès à plusieurs caractéristiques de conception innovantes :transparence et densité d'électrodes élevée combinées à des méthodes d'apprentissage automatique.
"Cette nouvelle génération d'électrodes de graphène transparentes intégrées à haute densité nous permet d'échantillonner l'activité neuronale avec une résolution spatiale plus élevée", a déclaré Kuzum. "En conséquence, la qualité des signaux s'améliore considérablement. Ce qui rend cette technologie encore plus remarquable, c'est l'intégration de méthodes d'apprentissage automatique, qui permettent de prédire l'activité neuronale profonde à partir des signaux de surface."
Cette étude était le fruit d'un effort collaboratif entre plusieurs groupes de recherche de l'UC San Diego. L'équipe, dirigée par Kuzum, spécialisé dans le développement d'interfaces neuronales multimodales, comprend le professeur de nano-ingénierie Ertugrul Cubukcu, spécialisé dans les techniques avancées de micro et nanofabrication des matériaux à base de graphène ; le professeur de génie électrique et informatique Vikash Gilja, dont le laboratoire intègre des connaissances spécifiques à un domaine provenant des domaines des neurosciences fondamentales, du traitement du signal et de l'apprentissage automatique pour décoder les signaux neuronaux ; et le professeur de neurobiologie et de neurosciences Takaki Komiyama, dont le laboratoire se concentre sur l'étude des mécanismes des circuits neuronaux qui sont à la base des comportements flexibles.
La transparence est l’une des caractéristiques clés de cet implant neuronal. Les implants traditionnels utilisent des matériaux métalliques opaques pour leurs électrodes et leurs fils, qui bloquent la vue des neurones situés sous les électrodes lors des expériences d'imagerie. En revanche, un implant fabriqué à partir de graphène est transparent, ce qui offre un champ de vision totalement dégagé au microscope lors des expériences d'imagerie.
"L'intégration transparente de l'enregistrement des signaux électriques et de l'imagerie optique de l'activité neuronale en même temps n'est possible qu'avec cette technologie", a déclaré Kuzum. "Le fait de pouvoir mener les deux expériences en même temps nous fournit des données plus pertinentes, car nous pouvons voir comment les expériences d'imagerie sont couplées dans le temps aux enregistrements électriques."
Pour rendre l'implant complètement transparent, les chercheurs ont utilisé des fils de graphène très fins et longs au lieu des fils métalliques traditionnels pour connecter les électrodes au circuit imprimé. Cependant, fabriquer une seule couche de graphène sous la forme d’un fil fin et long est un défi car tout défaut rendra le fil non fonctionnel, a expliqué Ramezani. "Il peut y avoir un espace dans le fil de graphène qui empêche le signal électrique de circuler, vous vous retrouvez donc avec un fil cassé."
Les chercheurs ont résolu ce problème en utilisant une technique intelligente. Au lieu de fabriquer les fils comme une seule couche de graphène, ils les ont fabriqués comme une double couche dopée à l'acide nitrique au milieu.
"En superposant deux couches de graphène, il y a de fortes chances que les défauts d'une couche soient masqués par l'autre couche, garantissant ainsi la création de fils de graphène entièrement fonctionnels, fins et longs, avec une conductivité améliorée", a déclaré Ramezani.
Selon les chercheurs, cette étude démontre à ce jour le réseau d’électrodes transparentes le plus densément emballé sur un implant neuronal posé en surface. Pour atteindre une densité élevée, il fallait fabriquer des électrodes de graphène extrêmement petites. Cela représentait un défi considérable, car la diminution de la taille des électrodes de graphène augmente leur impédance, ce qui entrave le flux de courant électrique nécessaire à l'enregistrement de l'activité neuronale.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé une technique de microfabrication développée par le laboratoire de Kuzum qui consiste à déposer des nanoparticules de platine sur les électrodes de graphène. Cette approche a considérablement amélioré le flux d'électrons à travers les électrodes tout en les gardant minuscules et transparentes.
L'équipe se concentrera ensuite sur les tests de la technologie sur différents modèles animaux, avec pour objectif ultime une traduction humaine dans le futur.
Le groupe de recherche de Kuzum se consacre également à l'utilisation de la technologie pour faire progresser la recherche fondamentale en neurosciences. Dans cet esprit, ils partagent la technologie avec des laboratoires aux États-Unis et en Europe, contribuant à diverses études allant de la compréhension de la manière dont l'activité vasculaire est couplée à l'activité électrique dans le cerveau à l'étude de la manière dont les cellules placées dans le cerveau sont si efficaces pour créer une mémoire spatiale. .
"Cette technologie peut être utilisée pour de nombreuses recherches fondamentales en neurosciences, et nous sommes impatients de faire notre part pour accélérer les progrès vers une meilleure compréhension du cerveau humain", a déclaré Kuzum.
Plus d'informations : Réseaux de graphène transparent haute densité pour prédire l'activité du calcium cellulaire en profondeur à partir d'enregistrements de potentiel de surface, Nanotechnologie naturelle (2024). DOI :10.1038/s41565-023-01576-z
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Université de Californie - San Diego
