Un capteur neuronal implantable sans batterie

Grâce à la taille réduite de l'électronique, les chercheurs explorent des dispositifs implantables de plus en plus sophistiqués, ouvrant la voie à de nouvelles prothèses et interfaces cerveau-machine. Mais un grand défi a été de savoir comment fournir de l'énergie aux composants électroniques intégrés dans le corps.

Gonflez-le : Cet amplificateur neuronal de faible puissance collecte les signaux électriques des nerfs et minimise le bruit électrique.

Aujourd'hui, les ingénieurs électriciens de l'Université de Washington ont développé une puce de détection neuronale implantable qui nécessite moins d'énergie. D'autres dispositifs médicaux sans fil, tels que les implants cochléaires ou rétiniens, reposent sur un couplage inductif, ce qui signifie que la source d'alimentation doit être à quelques centimètres. La nouvelle plate-forme de capteurs, appelée NeuralWISP, est alimentée par une source radio jusqu'à un mètre de distance.

L'appareil contient un microprocesseur alimenté par un lecteur radiofréquence commercial qui sert également de dispositif de collecte de données. Le même équipement est utilisé pour alimenter et lire les informations des étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID). Dans des expériences, les chercheurs ont utilisé le nouvel appareil pour détecter l'activité du système nerveux central chez un papillon de nuit afin d'étudier sa locomotion.

Il y a eu quelques progrès dans la réduction de la taille des implants neuraux récemment, mais la majorité des dispositifs implantables sont encore relativement encombrants. Ces appareils nécessitent généralement plusieurs composants, tels qu'une horloge pour les opérations de synchronisation et une antenne pour la communication et la récupération d'énergie, qui sont assez volumineux par rapport aux transistors du microcontrôleur, explique Brian Otis, professeur de génie électrique à l'Université de Washington et chercheur principal sur NeuralWISP.

Vous pouvez avoir des millions de transistors sur une puce de moins d'un millimètre cube de volume, mais le problème réside dans les pièces supplémentaires, explique Otis. Notre objectif est de tout réduire sur une seule puce et de réduire la consommation d'énergie de ces composants afin que la puce puisse être alimentée sans fil.

Le NeuralWISP est un ensemble de composants plus petits et moins puissants, tels qu'un amplificateur de signal spécialisé, sur une carte de circuit imprimé d'un peu plus de deux centimètres de long. Une future version intégrera tous les composants sur une seule puce d'un millimètre sur deux millimètres. Le circuit convertit la puissance utilisable du lecteur - environ 430 microwatts - en une tension qui peut activer le microcontrôleur. Ce microcontrôleur, à son tour, contrôle le capteur et sa minuterie, et exécute des instructions qui permettent de renvoyer les données au lecteur.

Battement libre : Ce papillon captif est connecté au système de détection neurale, qui enregistre l'activité de son système nerveux central lorsqu'il bat des ailes.

L'un des principaux moyens d'économiser de l'énergie, explique Otis, consistait à réduire la fréquence à laquelle le capteur mesurait les signaux électriques produits par les neurones. Les chercheurs ont programmé le microcontrôleur pour qu'il se réveille lorsqu'un pic électrique se produise et n'enregistre que les signaux dépassant un certain seuil. Les neuroscientifiques s'intéressent au taux de pointe, explique Otis. Nous ne numérisons pas l'intégralité de la forme d'onde cérébrale.

En plus de quelques considérations de conception de circuits à faible puissance, les chercheurs ont construit un petit amplificateur de signal qui amplifie le signal électrique des neurones tout en minimisant le bruit électrique. Pour cela, ils divisent le signal entrant en deux parties. La quantité d'électricité entrante provenant de l'activité neuronale est la même, mais en la divisant entre une paire de transistors dans le circuit, la quantité de bruit est réduite de moitié.

Dans l'expérience sur le papillon de nuit, les chercheurs ont testé le système sans batterie en collectant des données sur les signaux électriques provenant des muscles des ailes du papillon de nuit. Les tests ont montré la fréquence avec laquelle le papillon battait des ailes. Les résultats sont publiés dans la revue Transactions IEEE sur les circuits et systèmes biomédicaux ; les chercheurs ont également discuté des travaux lors d'un sommet sur les plates-formes d'identification et de détection sans fil (WISP) à Berkeley, en Californie, mardi. Le système actuel est trop grand pour permettre au papillon de voler librement, mais une prochaine puce, qui sera présentée en février, est suffisamment petite pour permettre un vol sans encombre, explique Otis.

La plupart des dispositifs implantables ont utilisé des fréquences plus basses, dit Josh Smith , ingénieur principal chez Intel, et organisateur du Sommet WISP . Une fréquence plus basse signifie également que les appareils doivent être lus de près, ajoute-t-il. L'utilisation de lecteurs RFID commerciaux, explique Smith, permet d'alimenter l'appareil et de lire les données de plus loin. Cependant, il dit que c'est toujours une question ouverte de savoir si l'antenne maintiendra la longue portée une fois implantée dans les tissus animaux, car le signal pourrait être absorbé. La mesure des papillons de nuit convient parfaitement à cette approche, car l'antenne n'a pas besoin d'aller à l'intérieur des tissus de l'animal, dit-il.

Arto Nurmikko, professeur d'ingénierie à Brown, est d'accord, affirmant qu'il est utile de mesurer l'activité neuronale chez les papillons de nuit, mais les vrais défis et le potentiel d'application émergent dans le travail avec les primates.

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