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De minuscules électrodes pour le cerveau
Un nouveau type de nano-électrode en polymère pourrait rendre les implants cérébraux, y compris ceux utilisés pour traiter les cas graves de la maladie de Parkinson, beaucoup plus sûrs, et il pourrait également rendre plus réalisables les tentatives de restauration de la vision et du mouvement avec des interfaces cerveau-machine directes. Rodolfo Llinas , professeur de neurosciences à l'Université de New York, et des chercheurs du MIT ont développé une électrode à nanofils de seulement 600 nanomètres de large qui peut envoyer et recevoir des signaux au cerveau.
Des chercheurs de la NYU et du MIT ont développé une électrode flexible qui peut envoyer ou recevoir des signaux des cellules du cerveau. L'électrode peut être insérée dans le cerveau par les vaisseaux sanguins, éliminant ainsi le besoin d'ouvrir le crâne d'un patient pour certains traitements neurologiques. (Gracieuseté de Zina Deretsky, National Science Foundation.)
L'électrode développée par Llinas et ses collègues est si petite qu'elle pourrait être insérée dans une artère, peut-être dans le bras ou l'aine, et enfilée jusqu'au cerveau. Parce que l'électrode est une petite fraction de la taille d'un globule rouge et flexible, elle peut être serpentée à travers les plus petits vaisseaux sanguins, se rapprochant suffisamment des neurones profonds du cerveau pour détecter et délivrer des signaux électriques.
[ Cliquez ici pour des images de l'électrode dans les vaisseaux sanguins.]
Un traitement actuel pour les cas graves de la maladie de Parkinson, appelé stimulation cérébrale profonde, consiste à implanter des électrodes qui délivrent des impulsions électriques à haute fréquence qui arrêtent les parties du cerveau responsables des symptômes de la maladie (voir Brain Pacemakers ). De tels traitements, cependant, sont risqués et coûteux, en partie parce qu'ils nécessitent que le crâne d'un patient soit ouvert pour insérer chirurgicalement des électrodes dans le tissu cérébral.
Les électrodes conventionnelles, qui mesurent désormais en millimètres, peuvent également endommager les vaisseaux sanguins du cerveau, explique Joseph Pancrazio, directeur de programme pour les projets d'ingénierie neuronale à l'Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux (NINDS), l'un des instituts nationaux de la santé. En tirant parti des nanodimensions pour enfiler les électrodes dans le système vasculaire, vous pouvez réduire le risque d'accident vasculaire cérébral, dit-il. C'est une façon complètement originale de penser à activer la stimulation cérébrale profonde. Je pense qu'il peut y avoir des avantages en termes de sécurité, d'efficacité, de robustesse et de biocompatibilité. C'est certainement un domaine que nous devons examiner sérieusement.
Ne pas avoir à ouvrir le crâne serait un avantage évident par rapport à ce que nous faisons actuellement, dit Jeff Bronstein , neurologue à la faculté de médecine de l'UCLA, qui affirme que des milliers de patients atteints de la maladie de Parkinson ont subi des procédures de stimulation cérébrale profonde.
John Heiss, neurochirurgien au NINDS, prévient qu'il sera d'abord nécessaire de démontrer que les nanofils ne provoquent pas de complications, telles que des caillots sanguins. Il note également que, bien que la tête n'ait pas besoin d'être ouverte, une telle procédure nécessiterait quand même une intervention chirurgicale invasive. Heiss dit, cependant, que si la procédure s'avère sûre, elle pourrait faire de la stimulation cérébrale profonde une alternative plus attrayante aux premiers stades de la maladie de Parkinson.
Au-delà de l'utilisation dans la stimulation cérébrale profonde, Llinas dit que ses électrodes pourraient détecter des signaux, par exemple, dans la zone du cerveau d'une personne responsable de la direction des mouvements des bras. Ces signaux pourraient ensuite être utilisés pour piloter un bras robotique, redonnant certaines capacités aux personnes paralysées par des lésions cérébrales et médullaires. Llinas dit que la première application des électrodes à nanofils peut être d'acheminer les impulsions nerveuses autour des zones endommagées de la moelle épinière, soit vers d'autres nerfs, soit directement vers les muscles, restaurant éventuellement la fonction des membres paralysés.
Les nano-électrodes pourraient également jouer un rôle dans l'amélioration des implants cochléaires utilisés pour restaurer l'audition. Parce que les électrodes sont si petites, il pourrait être possible d'augmenter le nombre d'électrodes utilisées dans un implant cochléaire, pour stimuler une région plus large et donner plus de couleur au son, dit Patrick Anquetil , stagiaire postdoctoral en génie mécanique au MIT et l'un des chercheurs du projet. Il dit que les premières utilisations commerciales des électrodes à nanofils sont probablement encore dans cinq ans.
À l'avenir, les chercheurs prévoient de construire des électrodes orientables. Pour ce faire, ils utiliseront un polymère qui se contracte en réponse à l'électricité. Un faisceau de tels nanofils pourrait être dirigé, en provoquant la contraction des nanofils sélectionnés.
Les chercheurs pensent qu'à terme, le faisceau de nanofils pourrait en partie se diriger lui-même. Anquetil dit qu'ils ont fabriqué des polymères qui agissent comme des capteurs de pression, et ils voient la possibilité d'utiliser des polymères semi-conducteurs comme base pour de simples interrupteurs électriques. Une chose qui nous passionne vraiment à ce sujet est, en principe, qu'il n'y a aucune raison pour laquelle, avec le même matériau, vous ne pouvez pas construire un système complet dans lequel vous avez la contraction, la mesure, la détection et le calcul.
Alors que les premiers faisceaux utilisaient relativement peu d'électrodes, des milliers pourraient éventuellement être regroupés pour former un emballage pas plus large que les sondes de 1 à 2 millimètres qui, selon Llinas, sont utilisées aujourd'hui dans le cerveau. Une fois à proximité de la zone ciblée, les nanofils seraient autorisés à se séparer. Les fils se déploieraient alors, poussés dans un réseau ramifié de capillaires. Cela permettrait aux chercheurs de surveiller et de transmettre des impulsions à des neurones individuels profondément à l'intérieur du cerveau dans une zone distribuée, une capacité qui pourrait s'avérer une aubaine pour les chercheurs du cerveau maintenant limités à l'utilisation de réseaux d'électrodes relativement petits.