Comment Smart Dust pourrait espionner votre cerveau

La surveillance en temps réel de la fonction cérébrale a progressé à pas de géant ces dernières années. C'est en grande partie grâce à diverses nouvelles technologies capables de surveiller le comportement collectif de groupes de neurones, telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, la magnétoencéphalopathie et la tomographie par émission de positons.

Ces travaux révolutionnent notre compréhension de la façon dont le cerveau est structuré et se comporte. Cela a également conduit à une nouvelle discipline d'ingénierie des interfaces cerveau-machine, qui permet aux gens de contrôler les machines par la seule pensée.

Aussi impressionnantes que soient ces techniques, elles souffrent toutes de limitations inhérentes telles qu'une résolution spatiale limitée, un manque de portabilité et un caractère extrêmement invasif.

Aujourd'hui, Dongjin Seo et des amis de l'Université de Californie à Berkeley révèlent une toute nouvelle façon d'étudier et d'interagir avec le cerveau. Leur idée est de saupoudrer des capteurs électroniques de la taille de particules de poussière dans le cortex et de les interroger à distance à l'aide d'ultrasons. Les ultrasons alimentent également cette soi-disant poussière neuronale.

Chaque particule de poussière neuronale se compose de circuits CMOS standard et de capteurs qui mesurent l'activité électrique dans les neurones à proximité. Celui-ci est couplé à un matériau piézoélectrique qui convertit les ondes sonores ultra-haute fréquence en signaux électriques et vice versa.

La poussière neuronale est interrogée par un autre composant placé sous la balance mais alimenté depuis l'extérieur du corps. Cela génère les ultrasons qui alimentent la poussière neuronale et les capteurs qui écoutent leur réponse, un peu comme un système RFID.

Le système est également sans fil - les données sont collectées et stockées à l'extérieur du corps pour une analyse ultérieure.

Cela contourne de nombreuses limitations. Le système est de faible puissance, peut avoir une résolution spatiale élevée et il est facilement portable. Il est également robuste et peut potentiellement fournir un lien sur de longues périodes de temps. Un obstacle majeur aux interfaces cerveau-machine (IMC) est l'absence d'un système d'interface neuronale implantable qui reste viable toute une vie, selon Seo and co.

La difficulté réside dans la conception et la construction d'un tel système et l'article d'aujourd'hui est une étude théorique de ces défis. Le premier est le problème de la conception et de la construction de particules de poussière neuronale à une échelle d'environ 100 micromètres qui peuvent envoyer et recevoir des signaux dans l'environnement dur, chaud et bruyant du corps.

C'est pourquoi Seo and co ont choisi les ultrasons pour envoyer et recevoir des données. Ils calculent que la puissance requise pour utiliser les ondes électromagnétiques sur la balance générerait une quantité de chaleur dommageable en raison de la quantité d'énergie absorbée par le corps et des rapports signal/bruit troublants à cette échelle.

En revanche, les ultrasons sont beaucoup plus efficaces et devraient permettre la transmission d'au moins 10 millions de fois plus de puissance que les ondes électromagnétiques à la même échelle.

Vient ensuite le problème de la liaison de l'électronique au système piézoélectrique qui convertit les ultrasons en signaux électroniques et vice versa. S'assurer que le système fonctionne efficacement sera délicat étant donné qu'il doit être emballé dans un polymère inerte ou un film isolant (qui doit également exposer les électrodes d'enregistrement aux neurones voisins).

Enfin, il y a le défi de concevoir et de construire le système d'interrogation qui génère les ultrasons pour alimenter l'ensemble du réseau mais à une puissance suffisamment faible pour éviter de chauffer le crâne et le cerveau.

En plus de tout cela, il y a le défi supplémentaire d'implanter les particules de poussière neuronale dans le cortex. Seo and co disent que cela peut probablement être fait en fabriquant les particules de poussière sur les extrémités d'un réseau de fils fins, maintenus en place par une tension superficielle, par exemple. Ce réseau serait plongé dans le cortex où les particules de poussière s'incrustent.

C'est une vision ambitieuse qui est jonchée de défis au-delà de l'état de l'art. Cependant, l'équipe a une solide expérience dans les systèmes nanoélectromécaniques et dans l'interface entre les systèmes électroniques et les cellules.

En effet, l'un des auteurs, Michel Maharbiz, a développé il y a quelques années le premier scarabée télécommandé au monde, un développement qui a été nommé l'une des 10 meilleures technologies émergentes de 2009 par Technology Review.

Ces gars-là n'ont clairement pas peur de relever de grands défis. Il sera intéressant de voir comment ils s'en sortent.

Réf : arxiv.org/abs/1307.2196 : Poussière neuronale : une solution à ultrasons à faible consommation pour les interfaces cerveau-machine chroniques

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