Ces recherches menées à l'Université de l'Arizona documentent la méthode aujourd’hui la plus sophistiquée pour délivrer une lumière permettant de contrôler les neurones dans le cerveau, avec des applications multiples à la clé, comme l’«extinction» des récepteurs de la douleur, le rétablissement du mouvement en cas de paralysie ou la réduction d’effets liés à des troubles neurologiques sévères. Bref, une nouvelle génération d’implant cérébral, sans fil et sans pile avec contrôle avancé sur des groupes de neurones ciblés, présentée dans la revue Nature Electronics.
L’auteur principal, Philipp Gutruf, professeur de génie biomédical à l'Université de l'Arizona et son équipe marquent ici une étape importante en neuroscience, dans le développement de systèmes optoélectroniques implantables. La base de ces innovations reste l’optogénétique, une technique biologique qui utilise la génétique et la lumière pour activer ou désactiver des groupes de neurones spécifiques dans le cerveau. Les chercheurs font ici valoir leur technique de stimulation optogénétique pour lutter contre les douleurs neuropathiques et réduire ainsi la dépendance croissante à l'égard des opioïdes.
Le principe de départ est de mieux comprendre le fonctionnement des différentes zones du cerveau, en tirant parti de l’avantage de l'optogénétique qui permet d’aller jusqu’à la spécificité cellulaire, en ciblant des groupes de neurones spécifiques et en étudiant leur fonction et leur relation dans le contexte de l'ensemble du cerveau. En effet, avec l’optogénétique, les chercheurs peuvent tagger des neurones spécifiques avec des protéines appelées opsines, qui convertissent la lumière en potentiels électriques qui déclenchent la fonction d'un neurone. Lorsqu'un chercheur « met en lumière » une zone du cerveau, il n'active ainsi que les neurones qui sont chargés d'opsine.
Au départ les fibres optiques, aujourd’hui un contrôle numérique sans fil : alors qu’à ces débuts, l'optogénétique impliquait l'envoi de lumière au cerveau par le biais de fibres optiques, ce qui signifiait que les sujets étaient physiquement attachés à la station de contrôle, aujourd’hui la technique est réalisable sans pile et sans fil, ce qui permet aux sujets de se déplacer librement. Le contrôle numérique de l'intensité et de la fréquence de la lumière émise, via des dispositifs extrêmement miniaturisés et implantables sous le cuir chevelu permet de stimuler indépendamment plusieurs sites du cerveau du même sujet. Le contrôle de l'intensité de la lumière permet aux chercheurs de contrôler exactement la quantité de lumière et la chaleur générée et éviter l'activation accidentelle de neurones activés par la chaleur.
Les implants sans fil et sans pile sont alimentés par des champs magnétiques oscillants externes et, en dépit de leurs capacités avancées, ne sont ni plus volumineux ni plus lourds que les versions précédentes. Une antenne de nouvelle génération permet d’éviter les biais antérieurs de force du signal transmis en fonction de l'angle du cerveau : autrefois, lorsque le sujet tournait la tête, le signal affaiblissait, ce n’est plus le cas avec le nouvel implant.
La stimulation est ininterrompue, stable et continue avec les nouveaux implants, et il n’est plus nécessaire de retirer ou de remplacer le dispositif. La procédure est donc moins invasive que les techniques de stimulation actuelles ou de stimulation cardiaque, par exemple. Les dispositifs sont implantés avec une procédure chirurgicale simple similaire aux chirurgies dans lesquelles les humains sont équipés de neurostimulateurs, ou « stimulateurs cérébraux ». La procédure n’entraîne aucun effet indésirable chez les patients.
La preuve de concept est ici apportée chez des animaux qui, implantés avec ces dispositifs, peuvent être surveillés par imagerie en toute sécurité par tomographie, tomodensitométrie et IRM, afin de mieux comprendre, encore, les paramètres cliniquement pertinents.
Source: Nature Electronics 13 December 2018 Fully implantable optoelectronic systems for battery-free, multimodal operation in neuroscience research (Visuel Philipp Gutruf)
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