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Faire entendre les oreilles des sourds avec la lumière
Environ 100 000 personnes atteintes de surdité profonde entendent maintenant grâce à des implants cochléaires, qui fonctionnent en stimulant le nerf auditif avec une série d'électrodes implantées dans l'oreille interne. Bien que les appareils permettent à de nombreux utilisateurs de converser facilement et d'utiliser des téléphones, ils ne parviennent toujours pas à rétablir une audition normale. Aujourd'hui, des scientifiques de la Northwestern University cherchent à savoir si les implants à base de laser pourraient un jour surpasser la version électrique d'aujourd'hui.
Effets sonores: Un implant cochléaire optique contournerait ces cellules ciliées de l'oreille interne (ci-dessus), qui sont non fonctionnelles dans de nombreux cas de surdité profonde. Le rayonnement optique stimulerait les neurones qui sont normalement déclenchés par le mouvement de ces fibres microscopiques en réponse aux vibrations sonores.
L'oreille des mammifères utilise les taux de déclenchement neuronaux comme un moyen d'encoder le son. Dans le cadre d'un projet financé par le National Institute for Surdness and Other Communication Disorders (NIDCD), Claus-Pierre Richter et ses collègues de Northwestern ont démontré qu'ils peuvent contrôler les taux de décharge dans le nerf auditif des animaux en utilisant un rayonnement laser infrarouge. Ils essaient maintenant d'établir qu'il peut être utilisé en toute sécurité pendant de longues périodes et qu'il peut manipuler les taux de déclenchement neuronal avec suffisamment de précision pour envoyer des informations utiles au cerveau.
Avec les implants cochléaires conventionnels, les signaux électriques se propagent dans l'environnement humide et salé du corps, brouillant le signal. Cela rend difficile le déclenchement de populations spécifiques de nerfs à l'intérieur de la cochlée. Pour compliquer encore les choses, les impulsions simultanées à différents endroits se confondent, stimulant la cochlée partout plutôt qu'aux endroits souhaités.
Les ingénieurs contournent le problème en déclenchant seulement une ou deux des 16 ou 24 électrodes de l'oreille interne à la fois. Cela se fait si rapidement que l'utilisateur a l'illusion que toutes les électrodes se déclenchent, mais le résultat reste une simulation relativement grossière de l'audition normale. Pour de nombreux utilisateurs d'implants cochléaires, les voix semblent mécaniques et les sons musicaux sont délavés.
Un laser infrarouge, d'autre part, peut être transmis aux fibres nerveuses avec une précision extrême. De plus, la nature directionnelle de la lumière laser signifie que les impulsions optiques à différents endroits n'interfèrent pas les unes avec les autres. La précision accrue de la stimulation neuronale rendrait les voix et la musique plus naturelles, et les utilisateurs pourraient converser plus facilement dans des environnements bruyants.
Bien qu'il ne soit pas encore clair pourquoi le rayonnement infrarouge peut déclencher une activité dans les nerfs auditifs, Richter émet l'hypothèse qu'il chauffe légèrement les cellules, ouvrant les canaux ioniques dans les parois cellulaires et envoyant un signal électrique le long du neurone.
Une question majeure est de savoir s'il est sûr de stimuler les nerfs de cette manière pendant de longues périodes de temps. Jusqu'à présent, Richter et ses collègues ont montré que les nerfs auditifs de gerbilles anesthésiées peuvent être stimulés avec un rayonnement laser infrarouge pendant jusqu'à six heures sans dommage. À l'heure actuelle, il n'est pas possible d'exécuter les tests plus longtemps, mais Richter prévoit des études à long terme sur des animaux avec des dispositifs implantés de manière permanente.
Les chercheurs découvrent également comment contrôler avec précision l'activité des neurones avec des lasers. L'oreille encode la hauteur et le volume non seulement en tirant sur les nerfs à des endroits particuliers, mais aussi en modifiant le taux sur laquelle ils tirent. Jusqu'à présent, Richter a montré que le rayonnement laser peut déclencher de manière fiable des neurones jusqu'à 250 fois par seconde, ce qui est comparable à la vitesse à laquelle les implants cochléaires conventionnels des premiers modèles entraînent les neurones.
Les essais sur l'homme sont dans des années, mais il existe plusieurs façons d'utiliser la technologie infrarouge pour construire un implant cochléaire fonctionnel. L'une consiste à utiliser des fibres optiques au lieu d'électrodes dans un réseau inséré à l'intérieur de la cochlée, un peu de la même manière que les implants cochléaires conventionnels utilisent maintenant des électrodes. Les premiers essais d'un tel système pourraient impliquer le remplacement d'une ou deux électrodes d'un implant conventionnel par des fibres optiques pour tester leur effet. Une autre consiste à placer un faisceau de fibres optiques devant la fenêtre ronde de la cochlée pour stimuler les neurones auditifs sans ouvrir la cochlée. (La fenêtre ronde est une fine membrane dans la cochlée qui absorbe le déplacement de fluide lorsque les ondes sonores la traversent.)
Une possibilité encore plus futuriste consiste à utiliser la thérapie génique pour rendre les neurones auditifs sensibles à des longueurs d'onde particulières de la lumière. Au MIT, Ed Boyden a modifié les gènes des cellules nerveuses afin qu'elles se déclenchent lorsqu'elles sont exposées à une longueur d'onde de lumière et cessent de se déclencher lorsqu'elles sont exposées à une autre. Selon Richter, cette approche nécessiterait moins d'énergie pour activer les cellules, ce qui pourrait être plus sûr à long terme. Bien entendu, cette approche comporte toutes les mises en garde qui accompagnent généralement la thérapie génique et nécessiterait un moyen d'administrer précisément la thérapie génique aux cellules auditives concernées.
Si elle s'avère sûre et efficace, la stimulation optique pourrait ouvrir des interfaces de stimulation à ultra-haute densité pour le système nerveux périphérique, explique Boyden. Le processus de combinaison de l'optique et des neurones peut également ouvrir la voie à de nombreuses innovations futures - allant au-delà de l'électrode omniprésente vers de nouvelles modalités de contrôle neuronal.