Le travail commence sur le stimulateur cérébral pour corriger la mémoire

Pour certains des environ 10 millions de personnes dans le monde avec une lésion cérébrale traumatique (TBI), former et conserver de nouveaux souvenirs peut être l'une des choses les plus difficiles qu'ils feront en une journée. Imaginez maintenant un appareil implanté dans le cerveau qui peut les aider à encoder des souvenirs au moyen de petites décharges électriques.

Une radiographie montre des électrodes d'enregistrement EEG sous le crâne d'un patient épileptique.

Les premières étapes vers une telle neuroprothèse de mémoire sont en cours à l'Université de Pennsylvanie, où des chercheurs ont commencé des tests sur des patients en chirurgie cérébrale pour tenter de localiser et d'influencer les processus qui contrôlent la formation de la mémoire.

Lorsque les gens souffrent de lésions cérébrales, plusieurs choses se produisent. Les neurones peuvent être endommagés par l'impact initial ou par des ecchymoses ou un gonflement du cerveau par la suite. Les axones qui relient les régions du cerveau peuvent être gravement secoués lors de l'impact, se séparant littéralement des neurones dans certains cas.

Le cerveau est un réseau complexe de neurones qui doivent tous communiquer entre eux, explique Matthew Kirschen, neurologue pédiatrique à l'hôpital pour enfants de Philadelphie, qui n'est pas impliqué dans la recherche Penn. Tout ce dont vous avez besoin est une petite perturbation du processus axonal et la mémoire est altérée.

L'équipe de Pennsylvanie est l'une des nombreuses équipes aux États-Unis qui ont été financées l'année dernière par la DARPA, l'agence de recherche du Pentagone, pour concevoir et construire des stimulateurs qui pourraient influencer la cognition en enregistrant constamment la fonction cérébrale et en zappant des zones cérébrales particulières avec de faibles doses d'électricité (voir L'armée finance des interfaces cerveau-ordinateur pour contrôler les sentiments).

L'équipe Penn, dirigée par le neuroscientifique cognitif Michael Kahana, a déjà commencé à analyser les enregistrements cérébraux de patients souffrant d'épilepsie sévère. Dans le cadre de leur traitement, ces patients reçoivent un petit maillage d'électrodes sous leur crâne, qu'ils portent pendant deux à sept semaines. Les électrodes collectent des enregistrements EEG qui sont utilisés pour calculer l'origine de leurs crises dans leur cerveau, en vue d'une intervention chirurgicale visant à retirer le tissu défectueux.

Pendant qu'ils subissent ce traitement, certains patients se portent également volontaires pour laisser Kahana les étudier pendant qu'ils jouent à des jeux de mémoire sur un ordinateur. Les électrodes EEG enregistrent l'activité électrique moyenne de dizaines de milliers de neurones à la fois ; Kahana dit que certaines des ondes cérébrales mesurées de cette façon sont corrélées avec la fonction de mémoire.

Le lien entre les oscillations EEG et les souvenirs n'est pas clair, mais les chercheurs de Penn soupçonnent que certaines fréquences pourraient offrir un marqueur de la façon dont une personne se souviendra des choses. Il s'agit notamment des oscillations dites thêta, un type d'activité neuronale dans l'hippocampe, une région du cerveau active dans la création de nouveaux souvenirs. Ce sont ceux [je] pense sont les plus importants pour la formation de la mémoire, et ils sont souvent présents dans l'hippocampe, explique Josh Jacobs, professeur de génie biomédical à l'Université de Columbia qui travaille sur le projet.

En 2013, des chercheurs de l'Université de Californie à Davis ont créé des lésions cérébrales chez 56 rats, diminuant considérablement leurs oscillations thêta. Ils ont ensuite montré que la stimulation électrique du noyau septal médial, qui fait partie de la région hippocampique du cerveau, aidait les rats à s'échapper plus rapidement d'un labyrinthe.

Si l'équipe de Penn est capable d'identifier des marqueurs de la formation de la mémoire, elle tentera de les influencer en stimulant le cerveau avec de faibles doses d'électricité. L'objectif est de tester s'il est possible d'amener les circuits du cerveau dans n'importe quel état représentant la meilleure fonction de mémoire possible d'un patient spécifique.

Kahana, qui est directeur du Computational Memory Lab de l'université, dit qu'il est trop tôt pour dire si l'idée fonctionnera. Nous voulons que le cerveau présente un certain schéma d'activité électrique, dit-il. C'est un grand pas en avant [de dire] que nous pouvons en quelque sorte le pousser dans cet état en lui donnant un petit coup de pouce.

La stimulation cérébrale électrique est déjà largement utilisée pour arrêter les tremblements physiques associés à la maladie de Parkinson. Bien que la raison pour laquelle la technologie fonctionne ne soit pas claire, certains pensent qu'elle agit pour supprimer les neurones surexcités. Environ 125 000 personnes ont reçu des stimulateurs cérébraux profonds ; presque tous les appareils sont fabriqués par le fabricant d'appareils médicaux de Minneapolis, Medtronic.

L'appareil de Medtronic utilise un fil pour stimuler le cerveau avec des impulsions électriques régulières. L'appareil que les chercheurs de Penn espèrent éventuellement construire avec l'aide de Medtronic sera différent : Jacobs dit qu'il utilisera des dizaines d'électrodes à l'intérieur du cerveau pour enregistrer et stimuler. La configuration pourrait appliquer un courant pour passer entre les électrodes, ce qui peut modifier l'activité des neurones dans les régions entre elles. Vous pourriez théoriquement enregistrer et zapper rapidement pour réaligner les circuits d'encodage de la mémoire, explique Jacobs.

Plus de 270 000 membres de l'armée américaine ont reçu un diagnostic de TCC depuis 2000 (voir Traumatisme cérébral en Irak), selon la DARPA, qui ressent un besoin pressant de traitements efficaces, même si la plupart des blessures ne surviennent pas dans les zones de guerre. L'équipe Penn dit qu'elle prévoit de passer deux ans à étudier les signaux de mémoire et deux autres années à développer un appareil. Des tests cliniques chez l'homme, dit Kahana, pourraient suivre si la recherche réussit.

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