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Interfaces cérébrales en soie
Les médecins peuvent placer des réseaux d'électrodes à la surface du cerveau pour identifier la source des crises d'épilepsie ; les patients peuvent utiliser de telles électrodes pour contrôler un curseur d'ordinateur. Mais il n'est toujours pas sûr de laisser ces appareils dans le cerveau à long terme, et c'est une qualité qui doit être développée avant que les chercheurs puissent développer de meilleures interfaces cerveau-ordinateur.
De la soie sur le cerveau : Des électrodes fines et flexibles montées sur un substrat de soie biodégradable pourraient fournir une meilleure interface cerveau-machine. L'appareil s'enroule autour des crevasses à la surface du cerveau, comme le montre ce modèle.
Aujourd'hui, un groupe de chercheurs construit une électronique biocompatible sur des substrats minces et flexibles. Le groupe espère créer des interfaces neuronales qui prennent des mesures à plus haute résolution que ce qui est disponible aujourd'hui sans irriter ou cicatriser les tissus cérébraux.
La biocompatibilité est un enjeu majeur pour les nouvelles générations d'implants médicaux, selon Brian Litt , professeur de neurologie et de bio-ingénierie à la faculté de médecine de l'Université de Pennsylvanie. Nous voulions fabriquer des appareils ultrafins pouvant être insérés dans le cerveau à travers de petits trous dans le crâne, et fabriqués à partir de matériaux biocompatibles, dit-il. Litt travaille avec des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui construisent une électronique flexible haute performance à partir de silicium et d'autres matériaux conventionnels sur des substrats de films de soie biodégradables et mécaniquement résistants fournis par des chercheurs de l'Université Tufts.
Cette semaine dans le journal Matériaux naturels , l'équipe rapporte avoir utilisé un appareil à électrode en soie pour mesurer l'activité électrique de la surface du cerveau chez le chat. La soie est mécaniquement résistante, ce qui signifie que les films peuvent être enroulés et insérés à travers un petit trou dans le crâne, mais peuvent se dissoudre en biomolécules inoffensives au fil du temps. Lorsqu'il est placé sur le tissu cérébral et humidifié avec une solution saline, un film de soie se rétracte autour de la surface du cerveau, entraînant des électrodes dans les rides du tissu. Les réseaux d'électrodes de surface conventionnels ne peuvent pas atteindre ces crevasses, qui constituent une grande partie de la surface du cerveau.
Un appareil comme celui-ci ouvrirait complètement de nouvelles voies dans toutes les neurosciences et les applications cliniques, selon Gerwin Schalk , chercheur au Wadsworth Center à Albany, NY, qui n'est pas affilié au groupe des électrodes en soie. Ce que je prévois, c'est de placer un appareil à base de soie tout autour du cerveau et d'obtenir une image continue de la fonction cérébrale pendant des semaines, des mois ou des années, à une résolution spatiale et temporelle élevée.
L'avantage des électrodes de surface par rapport aux électrodes implantées est qu'elles ne provoquent pas de cicatrices, dit Andrew Schwartz , professeur de neurobiologie à l'Université de Pittsburgh. En 2008, Schwartz a démontré qu'un singe avec une électrode dans son cerveau peut contrôler un bras prothétique pour se nourrir. Cette conception est encore meilleure car elle a une taille de caractéristique relativement petite et est flexible – elle pourrait rendre ces implants moins traumatisants, dit-il. Ce qui serait vraiment bien, c'est si vous pouviez amplifier le signal près de l'endroit où vous le captez pour réduire le bruit, et multiplexer le signal pour réduire le nombre de fils nécessaires, dit Schwartz.
Les chercheurs en électronique de soie disent que c'est leur prochaine étape et l'une des principales promesses de la technologie. Ils ont déjà fait la démonstration de réseaux de transistors en silicium minces et flexibles construits sur de la soie et les ont testés sur des animaux, mais pas encore dans le cerveau. Schwartz dit que d'autres groupes ont reconnu l'importance du multiplexage et de l'amplification du signal, mais ont travaillé avec des circuits imprimés rigides qui ne sont pas aussi biocompatibles. L'ajout de ces composants actifs réduirait le nombre de fils nécessaires dans ces implants, qui nécessitent aujourd'hui un fil par capteur. Et les dispositifs actifs pourraient répondre à l'activité cérébrale pour fournir des stimuli électriques ou libérer des médicaments. (L'un des collaborateurs du projet soie, David Kaplan à l'Université Tufts, a démontré que des dispositifs en soie implantés dans le cerveau de petits animaux peuvent administrer des médicaments antiépileptiques.)
L'ajout de transistors à l'électronique est actuellement un défi de conception, explique John Rogers, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. La conception du réseau d'électrodes que son groupe a trouvée la plus compatible avec le tissu cérébral est un maillage - les feuilles solides ne s'enrouleront pas aussi efficacement autour du tissu cérébral. Et ajouter des transistors au silicium au maillage est plus difficile que de le faire sur un substrat solide. Pourtant, dit Rogers, toutes les pièces principales sont en place et doivent juste être intégrées. Avec des développements et des tests supplémentaires pour prouver que les appareils sont sûrs, dit Rogers, nous espérons que ce sera la base de nouvelles interfaces cerveau-machine de meilleure qualité.