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Un implant cérébral qui utilise la lumière
Les chercheurs de Medtronic développent un prototype d'implant neuronal qui utilise la lumière pour modifier le comportement des neurones dans le cerveau. L'appareil est basé sur la science émergente de la neuromodulation optogénétique, dans laquelle des cellules cérébrales spécifiques sont génétiquement modifiées pour répondre à la lumière. Medtronic, le plus grand fabricant mondial de technologies biomédicales, vise à utiliser l'appareil pour mieux comprendre comment les thérapies électriques, actuellement utilisées pour traiter la maladie de Parkinson et d'autres troubles, soulagent les symptômes de ces maladies. Les scientifiques de Medtronic disent qu'ils utiliseront les résultats pour améliorer les stimulateurs électriques que la société vend déjà, mais d'autres espèrent finalement utiliser les thérapies optiques directement comme traitements.
Luminothérapie : Un neurone (vert) conçu pour exprimer une protéine sensible à la lumière se déclenche en réponse à des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. Une électrode de verre (coin inférieur gauche) enregistre la réponse électrique du neurone. Des chercheurs de Medtronic ont utilisé ce système pour confirmer qu'un nouveau stimulateur implantable peut activer correctement les neurones avec la lumière.
Les implants neuronaux d'aujourd'hui fonctionnent en délivrant des doses mesurées de stimulation électrique via une électrode fine insérée chirurgicalement à travers un petit trou dans le crâne d'un patient, avec son extrémité implantée dans une zone cérébrale localisée. Depuis que la Food and Drug Administration des États-Unis a approuvé de tels stimulateurs cérébraux et le traitement à base électrique qu'ils offrent – appelé stimulation cérébrale profonde (DBS) – pour un trouble appelé tremblement essentiel en 1997, pour la maladie de Parkinson en 2002 et pour la dystonie en 2003, plus de 75 000 personnes les ont fait installer. On pense que les impulsions électriques contrecarrent l'activité neuronale anormale qui résulte de différentes maladies, bien que les médecins sachent peu sur le fonctionnement de la DBS.
Malgré leur succès, de telles prothèses neurales présentent de sérieux inconvénients. Au-delà du fait brutal de leurs emplacements physiques, ils stimulent indistinctement les neurones proches de l'électrode. Cette hyperactivité peut déclencher des étourdissements, des picotements et d'autres effets secondaires. De plus, ils produisent un bruit électrique qui rend difficile le suivi des signaux neuronaux plus silencieux et l'utilisation simultanée de systèmes de balayage comme l'IRM pratiquement impossible, ce qui empêche les chercheurs d'obtenir des preuves sur le fonctionnement réel du DBS.
Au cours des dernières années, les scientifiques ont développé un moyen de stimuler les neurones en utilisant la lumière plutôt que l'électricité. Les chercheurs introduisent d'abord un gène pour une molécule photosensible, appelée channelrhodopsin 2 (ChR2), dans un sous-ensemble spécifique de neurones. La lumière bleue brillante sur ces neurones les fait alors se déclencher. L'un des avantages de cette approche est sa spécificité : seuls les neurones porteurs du gène sont activés. Il fournit également un moyen d'arrêter les neurones - l'introduction d'une molécule différente, l'halorhodopsine (NpHR), fait taire les cellules en réponse à la lumière jaune. C'est l'autre particularité de cette approche, déclare Tim Denison, directeur principal de l'ingénierie des circuits intégrés dans la division de neuromodulation de Medtronic. Il nous permet de faire taire l'activité des neurones, ce qui est extraordinairement difficile avec l'électrostimulation.
Alors que les scientifiques universitaires développent de nouveaux outils pour fournir de la lumière au cerveau, Medtronic développe un implant basé sur l'optogénétique à usage commercial. Le module, qui a approximativement la taille et la forme d'une petite clé USB, possède des liaisons de données sans fil, une unité de gestion de l'alimentation, un microcontrôleur et un stimulateur optique. Il utilise un fil de fibre optique pour diriger la lumière d'une LED bleue ou verte vers les neurones cibles du cerveau. La société prévoit de commercialiser l'appareil auprès des chercheurs en neurosciences et de l'utiliser pour des recherches internes sur les effets de la DBS.
Les scientifiques de Medtronic soulignent la nature très précoce de l'appareil. Il s'agit d'une recherche destinée à être utilisée avec des modèles animaux et n'est actuellement pas prête pour une quelconque traduction humaine, souligne Denison. Pourtant, il poursuit : Ce qui est passionnant, c'est que les thérapies d'aujourd'hui restent basées sur ces idées basées sur l'électricité du 19ème siècle. Désormais, cette nouvelle technologie perturbatrice offre une interface unique avec le système nerveux.
Aujourd'hui, plus de 500 laboratoires appliquent des outils optogénétiques à des modèles animaux de la maladie de Parkinson, de la cécité, des lésions médullaires, de la dépression, de la narcolepsie, de la toxicomanie et de la mémoire. Medtronic, qui a bâti son entreprise en étant pionnière dans la mise en œuvre de la recherche médicale sur le marché, a largement consulté les pionniers de l'optogénétique Karl Deisseroth de Stanford et Ed Boyden du MIT pour construire un implant pour soutenir cette nouvelle science. (Boyden est chroniqueur occasionnel pour Examen de la technologie .)
Afin de transformer l'implant de recherche en un dispositif clinique, Medtronic ou d'autres devront trouver des moyens de transmettre en toute sécurité les gènes nécessaires à des circuits neuronaux spécifiques du cerveau. Denison dit qu'il pense que le développement de thérapies pratiques basées sur l'optogénétique pour les patients humains sera progressif. Franchement, c'est une technologie sur laquelle je peux voir mon fils travailler en tant qu'employé de Medtronic, dit-il.
Boyden du MIT, cependant, envisage un développement plus accéléré : je pense que c'est plutôt sur une période de trois à dix ans, dit-il. Boyden a cofondé une entreprise, Eos, pour développer des thérapies géniques pour guérir la cécité. (Parce qu'elle cible l'œil, cette thérapie ne nécessiterait pas d'implant.) Jerry Silver de l'Université Case-Western a une startup, LucCell, qui vise à de telles thérapies pour restaurer la fonction endommagée de la moelle épinière. La thérapie génique est un domaine en pleine maturation, dit Silver. Il existe un type de virus appelé VAA –virus adéno-associé– qui est naturel, que nous portons déjà presque tous, qui ne présente aucun symptôme et qui a déjà été utilisé chez des centaines de patients sans un seul événement indésirable grave.
Dans l'ensemble, Boyden conclut : dans de nombreux troubles neuronaux ou psychiatriques, une très petite fraction des cellules du cerveau a de très grandes altérations - la maladie de Parkinson est la mort de peut-être quelques milliers de cellules. Si avec l'optogénétique vous pouvez corriger ces cibles en aval sans altérer tous les « neurones normaux » – entre guillemets – vous pourriez résoudre notre problème actuel, à savoir que chaque médicament pour traiter les troubles cérébraux a des effets secondaires très graves et que les implants neuraux sont des instruments extrêmement contondants. . C'est donc l'espoir.