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Une meilleure façon de sonder le cerveau
Polina Anikeeva, PhD '09, développe des matériaux qui offrent des connexions à faible impact ou même sans fil au système nerveux, permettant aux chercheurs de stimuler et de collecter des données à partir de cellules cérébrales individuelles. 21 avril 2015
Le cerveau est souvent décrit comme la structure la plus complexe connue : une multitude de cellules, reliées en réseaux et bourdonnant d'activité électrique et chimique. En tant que spécialiste des matériaux, Polina Anikeeva, PhD '09, sait également que le cerveau est beaucoup plus souple et malléable que les appareils que nous utilisons pour l'étudier. Il a en fait les propriétés élastiques du pudding au chocolat, explique Anikeeva, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux au MIT. Vous pouvez le cuillère si vous voulez.
Pourtant, lorsque les scientifiques essaient d'explorer le cerveau, ils s'appuient généralement sur des matériaux rigides et pointus, comme des sondes en silicium et des électrodes en acier. Cela a à peu près autant de sens, dit-elle, que de trancher du pudding avec un couteau.
Avec les implants neuronaux pour les humains, tels que les dispositifs de stimulation cérébrale profonde, l'inadéquation peut avoir de graves conséquences. Des électrodes rigides peuvent couper les tissus si le cerveau tremble. Les cellules du système immunitaire et des tissus voisins pullulent, entourant tout implant avec du tissu cicatriciel. Des problèmes similaires s'appliquent aux interfaces neurales de la moelle épinière.
Anikeeva, qui dirige le laboratoire de bioélectronique du MIT, développe de meilleures façons d'interagir avec le cerveau et la moelle épinière. Bien que son laboratoire ait moins de quatre ans, d'éminentes revues ont publié une série d'articles de son groupe démontrant de nouvelles technologies, y compris des sondes en fibres polymères minces et flexibles pour stimuler et enregistrer l'activité des neurones, ainsi que des nanoparticules magnétiques qui pourraient être utilisées pour stimulez-les sans aucun fil. L'objectif est de sonder le cerveau avec un toucher plus doux et de le faire avec précision, tout en intégrant plusieurs fonctions dans un seul appareil.
Les travaux d'Anikeeva permettent déjà à d'autres scientifiques de réaliser de nouveaux types d'études sur le cerveau et la moelle épinière. En fin de compte, les matériaux qu'elle crée pourraient offrir un moyen moins invasif de connecter des appareils au corps humain afin de traiter des maladies neurologiques ou de restaurer le mouvement.
Fou de sciences
J'étais essentiellement un nerd scientifique depuis le tout début, dit Anikeeva. Elle a grandi à Saint-Pétersbourg, en Russie, la fille de parents qui ont tous deux suivi une formation d'ingénieur en mécanique. (Sa mère a aidé à concevoir des sous-marins nucléaires avant l'effondrement de l'Union soviétique.) À 12 ans, elle a été admise au prestigieux lycée physique-technique, affilié à l'Institut physique-technique Ioffe de l'Académie des sciences de Russie. L'école ne compte que 180 élèves et organise des cours six jours par semaine. son but est de former de futurs chercheurs. Il est plus difficile d'entrer que d'entrer au MIT, dit-elle.
Anikeeva a étudié la biophysique à l'Université polytechnique d'État de Saint-Pétersbourg ; dans le cadre d'un programme d'échange à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich, elle a appris à analyser la structure des protéines à l'aide de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Après avoir obtenu son diplôme, elle a effectué un stage d'un an au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique, concevant des cellules solaires à partir de nanocristaux semi-conducteurs connus sous le nom de points quantiques.
Lorsqu'elle a visité des écoles supérieures, le MIT s'est démarqué autant par ses étudiants que par sa faculté. Je sentais qu'au MIT, je serais entourée de gens vraiment talentueux qui sont fanatiques de leur travail, dit-elle. Elle a commencé sa recherche doctorale en 2004 dans le laboratoire de Vladimir Bulović, alors professeur agrégé de génie électrique et d'informatique, qui développait de nouveaux dispositifs électroniques et optiques utilisant les nanotechnologies. Là, elle a été la pionnière d'une technique de création de LED en utilisant des points quantiques pour générer de la lumière de différentes couleurs.
Anikeeva aimait travailler avec les nanomatériaux, mais elle avait aussi une passion pour la biologie. Nous avons des technologies tellement sophistiquées dans nos téléphones portables – nous avons ces beaux écrans, des modules informatiques de pointe, des transistors, des circuits, etc., dit-elle. Elle voulait exploiter certaines de ces avancées pour améliorer la technologie pour le corps. Mais avant d'aller avec arrogance essayer de résoudre des problèmes dont j'ignorais l'existence, dit-elle, j'ai décidé que je devais passer du temps dans un environnement biologique.
Anikeeva examine un lot de fibres contenant chacune une seule électrode. Ils seront disposés autour de tubes creux et étirés pour former des sondes neurales de 100 micromètres de large capables de délivrer des médicaments et d'enregistrer des informations.
Cette décision l'a conduite au laboratoire de neurosciences de Karl Deisseroth à l'Université de Stanford. Son groupe était au milieu de travaux révolutionnaires sur l'optogénétique, qui utilise la lumière pour stimuler les cellules du cerveau des animaux qui ont été conçues pour inclure des protéines activées par la lumière. Quand j'ai vu qu'ils développaient des méthodes pour contrôler optiquement le cerveau, j'ai été vraiment époustouflée, dit-elle. Il a également suggéré une nouvelle façon d'appliquer ses compétences. Le cerveau, c'est les potentiels d'action et les tensions - j'ai pensé qu'en tant qu'optoélectronique, je peux aller derrière la tension, dit-elle. C'est quelque chose que j'ai une chance de comprendre.
Le groupe de Deisseroth avait besoin de matériel pour envoyer de la lumière dans des zones spécifiques du cerveau des souris tout en prenant des enregistrements électriques à partir des cellules éclairées. Au cours d'un postdoc de deux ans débutant en 2009, Anikeeva a développé une sonde plus sophistiquée que celle qu'ils utilisaient ; sa version comprenait plusieurs électrodes le long de la fibre optique. Ce fut une étape clé pour obtenir des lectures riches de l'interface fibre optique, explique Deisseroth.
Cette expérience a appris à Anikeeva comment faire des expériences et travailler avec des animaux, et cela lui a donné des problèmes à résoudre. Le fait d'avoir reçu cette formation neurobiologique plus basique m'a fait réfléchir aux outils que nous utilisions, dit-elle. Ces technologies sont vraiment très primitives. Ils étaient trop grands et trop volumineux et n'avaient pas assez de capacité. Les biologistes avec lesquels Anikeeva travaillait manipulaient des fils individuels sous des microscopes, bien loin des techniques de fabrication sophistiquées utilisées dans l'industrie électronique.
J'ai senti qu'on devrait pouvoir faire mieux, dit-elle. Et quand on lui a offert un poste de professeur au MIT, cette prémisse est devenue la base de son propre laboratoire. Dans son travail actuel, Anikeeva apporte son expertise en science des matériaux aux neurosciences. Elle est incroyablement talentueuse, peu importe ce sur quoi elle met la main, dit Bulović, maintenant professeur de technologies émergentes, doyenne associée pour l'innovation à la School of Engineering et codirectrice de la MIT Innovation Initiative. Elle a pris toutes ces expériences qu'elle a acquises… et a reconnu qu'elle pouvait les rassembler en un tout cohérent.
Un meilleur marteau
Dans un laboratoire du sous-sol du MIT, Andres Canales, SM '13, étudiant au doctorat dans le groupe d'Anikeeva, observe une transformation physique : un cylindre de polymères et de métal est lentement fondu et tiré en un long fil semblable à un vermicelle de une haute tour dans un coin de la pièce. L'une des raisons pour lesquelles Anikeeva tenait à retourner au MIT était de travailler avec Yoel Fink, le directeur du Laboratoire de recherche en électronique et un innovateur de premier plan dans cette technique de dessin de fibres, dans laquelle les matériaux sont assemblés, chauffés et tirés comme de la tire en ultra-mince. fibres qui préservent la structure et la fonctionnalité d'origine. Fink a partagé avec son laboratoire à la fois son expertise et la tour de filage de fibres, qui offre un contrôle précis et la capacité de réduire les fonctionnalités à un niveau microscopique (voir la démo).
Grâce à cette collaboration, son équipe a incorporé des guides d'ondes optiques, des électrodes et des canaux d'administration de médicaments dans une seule fibre qui peut être aussi fine qu'un cheveu humain et suffisamment flexible pour s'enrouler autour d'un doigt. Et surtout, ces appareils ne sont pas rejetés par le corps.
Ce type de capacité pourrait aider les neuroscientifiques à essayer de démêler les fonctions cérébrales complexes chez la souris. Guoping Feng, professeur de sciences du cerveau et cognitives au McGovern Institute du MIT, utilise les sondes d'Anikeeva pour étudier des maladies psychiatriques comme l'autisme et les troubles obsessionnels compulsifs. Son travail consiste à examiner la communication entre les neurones du cerveau et la relation entre les gènes, les circuits cérébraux et le comportement. Pour observer ces processus chez les animaux vivants, les chercheurs doivent être capables de manipuler avec précision des circuits spécifiques et d'enregistrer l'activité des cellules manipulées. Avec un appareil mince et multifonctionnel, dit-il, vous pouvez avoir toutes les capacités avec un minimum de perturbations ou de dommages aux tissus cérébraux.
Les appareils peuvent également être utilisés dans la moelle épinière, qui est difficile d'accès et nécessite un appareil flexible car il bouge et s'étire souvent. Bien que la stimulation électrique de la moelle épinière puisse évoquer le mouvement chez les animaux paralysés et ait été utilisée cliniquement chez l'homme avec des résultats modestes, Chet Moritz, professeur de médecine de réadaptation à l'Université de Washington à Seattle, affirme que la stimulation optique pourrait permettre un contrôle plus précis de cellules spécifiques. La stimulation électrique est un assez gros marteau, dit-il. Avec l'optogénétique, vous pouvez avoir une confiance assez élevée dans le fait que vous activez un circuit spécifique.
Moritz travaille sur la stimulation de la moelle épinière supérieure, en fin de compte afin de restaurer des mouvements comme atteindre et saisir, qui nécessitent plus de finesse que la marche. Pour ce faire, il doit cibler directement des neurones spécifiques. En collaboration avec Anikeeva, il teste la possibilité d'utiliser la lumière pour stimuler la moelle épinière de rats dans le but de réanimer des membres paralysés.
Stimulation cérébrale sans fil
Pendant ce temps, Anikeeva poursuit des technologies qui peuvent stimuler des zones cérébrales spécifiques sans aucun fil. Dans un article récent paru dans , son groupe a démontré une technique qui utilise des champs magnétiques et des nanoparticules injectées pour activer les cellules profondément dans le cerveau des souris.
Dans ce processus, les nanoparticules magnétiques sont chauffées à l'aide de champs magnétiques alternatifs, qui traversent facilement le tissu cérébral sans l'affecter. Depuis des décennies, les chercheurs travaillent sur des techniques pour injecter des nanoparticules magnétiques dans les tumeurs et les chauffer avec des aimants pour tuer les cellules cancéreuses. Mais plutôt que de détruire les cellules, Anikeeva voulait créer une poussée de chaleur rapide qui ferait exploser les neurones.
D'autres scientifiques ont utilisé une approche similaire pour stimuler les cellules conçues pour exprimer la protéine sensible à la chaleur TRPV1. Mais Anikeeva dit que les cellules de ces études ont répondu trop lentement pour le type de stimulation immédiate qu'elle souhaite obtenir.
Son équipe, dirigée par les étudiants diplômés Ritchie Chen, SM '13, et Michael Christiansen, a commencé à modéliser comment les nanoparticules magnétiques dissipent la chaleur. Les particules s'alignent sur un champ magnétique et se réalignent lorsque sa direction change, libérant ainsi de la chaleur. Les modèles ont montré que cet effet était plus puissant si la taille et la forme des particules correspondaient aux propriétés du champ magnétique. En adaptant la conception des bobines magnétiques et des nanoparticules, les chercheurs ont pu produire plus de chaleur plus rapidement.
Les particules sont fabriquées à partir d'oxyde de fer (couramment utilisé comme agent de contraste dans les IRM) et recouvertes de polymères pour empêcher le système immunitaire de les éliminer. L'équipe d'Anikeeva a utilisé un virus pour délivrer le gène de TRPV1 dans des cellules d'une partie spécifique du cerveau de souris. Ensuite, ils ont injecté la même région avec les nanoparticules. Sous le champ magnétique, les particules se sont réchauffées, provoquant l'activation des neurones modifiés.
Anikeeva étudie maintenant si la variation des champs magnétiques et de la composition des particules peut permettre de cibler plusieurs types de cellules ou circuits cérébraux. Et bien que cette étude ait utilisé le génie génétique pour introduire une protéine sensible à la chaleur dans les cellules de souris, elle dit que TRPV1 est répandu dans le cerveau humain, donc un tel bricolage peut ne pas être nécessaire pour utiliser la technique chez l'homme.
Cette démonstration, aussi préliminaire soit-elle, pointe vers une manière beaucoup moins invasive de stimuler les cellules profondes du cerveau. Actuellement, les patients qui reçoivent une stimulation cérébrale profonde pour des conditions telles que la maladie de Parkinson ont besoin d'une intervention chirurgicale pour implanter des électrodes câblées à une batterie externe. Ces souris ont eu une simple injection, et les nanoparticules magnétiques sont restées actives un mois plus tard. Un jour, imagine-t-elle, les patients pourraient recevoir un médicament magnétique et passer un temps prescrit chaque jour près d'un appareil magnétique.
Le groupe d'Anikeeva affine ces technologies et recherche des collaborateurs qui les mettront à l'épreuve. Elle envisage d'utiliser des sondes en polymère souple pour cartographier précisément le cerveau, ou pour administrer un médicament ou une stimulation optique, puis surveiller son effet sur l'activité cellulaire.
Elle s'intéresse également vivement à l'utilisation des technologies comme interfaces neuronales pour traiter les blessures paralysantes. Lorsqu'un ami a subi une grave blessure à la moelle épinière en faisant de l'escalade, Anikeeva a été frappée par l'état primitif de la technologie pour la rééducation et la restauration du mouvement. Cela a influencé mon programme de recherche de manière très profonde, dit-elle.
Escalade passionnée et coureuse de fond elle-même, Anikeeva s'intéresse particulièrement au mouvement car il le trouve essentiel à sa propre réflexion. L'escalade est une partie importante et déterminante de ma vie, dit-elle, et elle résout souvent les problèmes en courant pendant deux ou trois heures d'affilée. Je ne fais jamais d'exercice avec de la musique, dit-elle. Essentiellement, c'est moi contre mon cerveau.