Un couteau suisse pour les neurosciences

A gauche : des mèches de polymères sont le point de départ pour fabriquer une sonde neurale multifonctionnelle. Dans un atelier d'usinage, des motifs de tiges métalliques conductrices, de plastiques transparents ou d'espaces creux seront ajoutés, créant une préforme.

À droite : la préforme est chargée dans cette tour d'étirage de fibres de 12 pieds de haut.

Divers nouveaux outils puissants pour explorer et manipuler le cerveau ont été développés au cours des dernières années. Certains utilisent de l'électronique, tandis que d'autres utilisent de la lumière ou des produits chimiques.

Dans un laboratoire du MIT, la scientifique des matériaux Polina Anikeeva a trouvé un moyen de fabriquer ce qui équivaut à un couteau suisse de la science du cerveau. Les sondes neurales qu'elle construit transportent la lumière tout en collectant et en transmettant l'électricité, et elles ont également de minuscules canaux à travers lesquels pomper les médicaments.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2015

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C'est une avancée par rapport aux fils métalliques ou aux électrodes de silicium traditionnellement utilisés pour étudier les neurones. Anikeeva fabrique les sondes en assemblant des polymères et des métaux en blocs à grande échelle, ou préformes, puis en les étirant en fibres flexibles et ultrafines.

Polina Anikeeva

Les fibres multifonctionnelles offrent de nouvelles façons d'étudier le comportement des animaux, puisqu'elles peuvent enregistrer à partir des neurones ainsi que les stimuler. De nouveaux types de technologies médicales pourraient également en résulter. Imaginez, comme le fait Anikeeva, un câblage bionique qui relie une lésion de la moelle épinière, collectant des signaux électriques du cerveau et les transmettant aux muscles d'une main paralysée.

Anikeeva a fabriqué sa première sonde multifonctionnelle pendant ses études à Stanford. C'était grossier : elle enroulait simplement des fils métalliques autour d'un filament de verre. Mais cela a permis de combiner les mesures d'électrodes standard avec une nouvelle technologie, l'optogénétique, dans laquelle la lumière est tirée sur les neurones pour les activer ou les éteindre.

Aujourd'hui, Anikeeva, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, fabrique des sondes à l'aide d'une technologie de fibrage développée par un autre chercheur du MIT, Yoel Fink. Il est basé sur la façon dont la silice est chauffée et tirée pour former la fibre de télécommunications. Mais cela fonctionne à des températures plus basses, auxquelles de nombreux polymères utiles deviennent suffisamment mous pour s'étirer.

Les fibres polymères présentent quelques avantages importants. La première est qu'ils sont flexibles et imitent les propriétés physiques des tissus. Cela pourrait leur permettre de travailler plus longtemps que les électrodes métalliques rigides sur lesquelles les neuroscientifiques se sont appuyés, permettant des études à long terme chez les animaux. La deuxième caractéristique des fibres est qu'elles peuvent combiner de nombreuses fonctions. Les sondes fabriquées jusqu'à présent ont incorporé jusqu'à 36 microfils, des guides d'ondes optiques et des canaux creux pour transporter des médicaments. Il n'y a aucune raison de ne pas incorporer des capteurs pour mesurer également la température ou la pression. À l'intérieur du corps, les bons matériaux et structures pourraient même inciter les nerfs à se fixer aux fibres, de la même manière que l'os fusionne avec un implant de hanche.

Le processus de fibrage réduit les grands motifs en motifs microscopiques, en préservant les détails. Mais il y a des défis. Les minuscules fils et tubes doivent être dénudés, évasés et soudés à la main pour les connecter à des composants tels qu'un appareil d'enregistrement qu'une souris porte sur sa tête. C'est tout un cauchemar, dit Andres Canales, un étudiant diplômé, qui espère résoudre le problème.

Les bio-fils polymères seront-ils ce qui guérira finalement la paralysie, par exemple en transportant des signaux nerveux à travers une moelle épinière blessée ? Je pense que ce sera une version de cette technologie, une version plus sophistiquée, explique Anikeeva. Au moins, nous allons poursuivre dans cette voie.

3. Une collection de restes de préformes après dessin. Des tiges d'indium-étain sont visibles dans ce qui reste de la préforme au centre.

4. La fibre est extraite du four après avoir été chauffée à 350 °C. Un micromètre (lumière rouge) surveille la taille de la fibre.

5. Chaque préforme est étirée jusqu'à un kilomètre de fibre. Il est maintenant d'environ 1/100e aussi épais qu'il l'était à l'origine.

6. Une fibre trempe dans du THF, un solvant, pour enlever une gaine protectrice.

7. Une coupe transversale d'une fibre de 0,35 millimètre de large contenant quatre électrodes, un canal de fluide et un guide d'ondes en forme d'anneau. À droite, la lumière brille à travers le guide d'ondes.

8. Cette souris a une fibre implantée dans son cerveau. Sur sa tête sont visibles un circuit imprimé, un port pour introduire de la lumière et deux autres pour s'injecter de la drogue.

9. La stimulation optique du cerveau de la souris produit l'activité électrique enregistrée ici.

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