Richard Costanzo [à gauche] et Daniel Coelho [à droite] montrent les composants externes de leur prothèse olfactive. Dans un système complet, après que le capteur détecte une odeur, l’émetteur enverrait un signal à un stimulateur implanté dans le cerveau.
Une quête de plusieurs décennies associe un nez électronique à un implant cérébral
RICHARD COSTANZO SE TIENT à côté d’une tête de mannequin portant des lunettes équipées d’électronique et tient un flacon de liquide bleu jusqu’à un minuscule capteur. Une LED s’allume en bleu et le téléphone de Costanzo affiche le mot « Windex ». Ensuite, il agite un flacon de liquide violet et obtient une lumière violette avec le message « Listerine ».
« Il n’y aura pas de ruban adhésif sur le modèle final », déclare Richard Costanzo , alors qu’il réorganise l’équipement dans son laboratoire de la Virginia Commonwealth University (VCU), à Richmond. Le prototype est une démonstration partielle d’un concept sur lequel il travaille depuis des décennies : une neuroprothèse pour l’odorat. Le mannequin représente une personne qui a perdu son odorat à cause du COVID-19 , d’une lésion cérébrale ou d’une autre condition médicale. Il est également destiné à montrer le capteur, qui est du même type que celui utilisé pour les nez électroniques commerciaux, ou e-noses . Dans le produit final, le capteur n’allumera pas de LED mais enverra plutôt un signal au cerveau de l’utilisateur.
Dans l’arrière-salle du laboratoire, un autre modèle montre la seconde moitié du concept : là, le capteur du nez électronique transmet son signal à un petit réseau d’électrodes prélevées sur un implant cochléaire . Pour les personnes malentendantes, ces implants transmettent des informations sur le son à l’oreille interne, puis au cerveau. L’implant est également à peu près de la bonne taille pour le bulbe olfactif situé à la périphérie du cerveau. Pourquoi ne pas l’utiliser pour transmettre des informations sur les odeurs ?
Ce projet pourrait être une réussite pour Costanzo, professeur émérite de physiologie et de biophysique qui, dans les années 1980, a cofondé le Centre des troubles de l’odorat et du goût de VCU, l’ une des premières cliniques de ce type dans le pays. Après des années de recherche sur la perte olfactive et des investigations sur la possibilité de régénération biologique, il a commencé à travailler sur une solution matérielle dans les années 1990.
Passionné d’électronique autoproclamé, Costanzo a apprécié ses expériences avec des capteurs et des électrodes. Mais le projet a vraiment décollé en 2011 lorsqu’il a commencé à discuter avec son collègue Daniel Coelho , professeur d’oto-rhino-laryngologie à VCU et expert en implants cochléaires. Ils ont tout de suite reconnu qu’une prothèse odorante pouvait être similaire à un implant cochléaire : « Il s’agit de prendre quelque chose du monde physique et de le traduire en signaux électriques qui ciblent stratégiquement le cerveau », explique Coelho. En 2016, les deux chercheurs ont obtenu un brevet américain pour leur système d’implant olfactif .
La quête de Richard Costanzo est devenue brusquement plus pertinente au début de 2020, lorsque de nombreux patients atteints d’une nouvelle maladie appelée COVID-19 ont réalisé qu’ils avaient perdu l’odorat et le goût. Trois ans après le début de la pandémie, certains de ces patients n’ont toujours pas récupéré ces facultés. Lorsque vous considérez également les personnes qui ont perdu leur odorat en raison d’autres maladies, de lésions cérébrales et du vieillissement, cette technologie de niche commence à ressembler à un produit viable. Ajoutez les autres collaborateurs de Costanzo et Coelho, dont un expert en nez électronique en Angleterre, plusieurs cliniciens à Boston et un homme d’affaires dans l’Indiana, et vous avez une équipe de rêve qui pourrait bien y arriver.
Costanzo dit qu’il se méfie du battage médiatique et ne veut pas donner aux gens l’impression qu’un appareil commercial sera disponible d’un jour à l’autre. Mais il veut offrir de l’espoir. À l’heure actuelle, l’équipe se concentre sur la détection de plus de quelques odeurs par les capteurs et sur la meilleure façon de s’interfacer avec le cerveau. « Je pense que nous sommes à plusieurs années de casser ces noix », précise Richard Costanzo, « mais je pense que c’est faisable. »
Comment les gens peuvent perdre leur odorat
Après que Scott Moorehead ait perdu son odorat après une blessure à la tête, il a commencé à soutenir la recherche sur la technologie des prothèses olfactives.
Scott Moorehead voulait juste apprendre à son fils de 6 ans à faire du skateboard. Un dimanche de 2012, il faisait des démonstrations de mouvements dans l’allée de sa maison dans l’Indiana lorsque la planche à roulettes a heurté une fissure et l’a renversé. « L’arrière de mon crâne a porté le poids de la chute », dit-il. Il a passé trois jours dans l’unité de soins intensifs, où les médecins l’ont soigné pour de multiples fractures du crâne, une hémorragie interne massive et des dommages au lobe frontal de son cerveau.
Au fil des semaines et des mois, son audition est revenue, ses maux de tête ont disparu et son irritabilité et sa confusion se sont estompées. Mais il n’a jamais retrouvé son odorat.
L’accident de Scott Moorehead a définitivement déconnecté les nerfs qui relient le nez au bulbe olfactif à la base du cerveau. En plus de son odorat, il a perdu tout sauf un sens rudimentaire du goût. « La saveur vient principalement de l’odeur », explique-t-il. « Ma langue seule ne peut faire que du sucré, du salé, du piquant et de l’amer. Vous pouvez me bander les yeux et mettre 10 saveurs de crème glacée devant moi, et je ne verrai pas la différence : elles auront toutes un goût légèrement sucré, sauf le chocolat qui est un peu amer.
Scott Moorehead est devenu déprimé : plus encore que les saveurs de la nourriture, les odeurs uniques des gens qu’il aimait lui manquaient. Et à une occasion, il était inconscient d’une fuite de gaz, ne réalisant le danger que lorsque sa femme est rentrée à la maison et a donné l’alarme.
L’anosmie , ou l’incapacité à sentir, peut être causée non seulement par des blessures à la tête, mais également par l’exposition à certaines toxines et par divers problèmes médicaux, notamment les tumeurs, la maladie d’Alzheimer et les maladies virales, telles que le COVID. Le sens de l’odorat s’atrophie aussi couramment avec l’âge; dans une étude de 2012 dans laquelle plus de 1 200 adultes ont subi des examens olfactifs, 39 % des participants âgés de 80 ans et plus présentaient un dysfonctionnement olfactif.
La perte de l’odorat et du goût sont les symptômes dominants du COVID depuis le début de la pandémie. Les personnes atteintes d’anosmie induite par le COVID n’ont actuellement que trois options : attendre et voir si le sens revient de lui-même, demander un médicament stéroïdien qui réduit l’inflammation et peut accélérer la récupération, ou commencer une cure de désodorisation , dans laquelle ils s’exposent à quelques senteurs familières chaque jour pour encourager la restauration des nerfs nez-cerveau. Les patients réussissent généralement mieux s’ils recherchent des médicaments et une cure de désintoxication dans les quelques semaines suivant l’apparition des symptômes, avant que le tissu cicatriciel ne s’accumule. Mais même alors, ces interventions ne fonctionnent pas pour tout le monde.
En avril 2020, des chercheurs de la clinique des odeurs et du goût de VCU ont lancé une enquête nationale auprès d’adultes qui avaient reçu un diagnostic de COVID pour déterminer la prévalence et la durée des symptômes liés à l’odorat. Ils ont suivi ces personnes à intervalles réguliers, et en août dernier, ils ont publié les résultats de personnes qui avaient deux ans après leur diagnostic initial. Les résultats ont été frappants : 38 % ont signalé une récupération complète de l’odorat et du goût, 54 % ont signalé une récupération partielle et 7,5 % n’ont signalé aucune récupération. « C’est un grave problème de qualité de vie », déclare Evan Reiter , directeur de la clinique VCU.
Alors que d’autres chercheurs étudient des approches biologiques, telles que l’utilisation de cellules souches pour régénérer les récepteurs d’odeurs et les nerfs, Costanzo pense que l’approche matérielle est la seule solution pour les personnes souffrant d’une perte totale d’odorat. « Lorsque les voies sont vraiment hors service, vous devez les remplacer par la technologie », dit-il.
Contrairement à la plupart des anosmiques, Scott Moorehead n’a pas abandonné lorsque ses médecins lui ont dit qu’il ne pouvait rien faire pour retrouver son odorat. En tant que PDG d’une entreprise de vente au détail de téléphones portables avec des magasins dans 43 États, il avait les ressources nécessaires pour investir dans des recherches à long terme. Et lorsqu’un collègue lui a parlé du travail à VCU, il est entré en contact et a proposé son aide. Depuis 2015, Scott Moorehead a investi près d’un million de dollars américains dans la recherche. Il a également obtenu une licence pour la technologie de VCU et a lancé une startup appelée Sensory Restoration Technologies.
Lorsque COVID a frappé, Scott Moorehead a vu une opportunité. Bien qu’ils soient loin d’avoir un produit à annoncer, il s’est empressé de créer un site Web pour la startup. Il se souvient d’avoir dit : « Les gens perdent leur odorat. Les gens doivent savoir que nous existons !
Comment fonctionne l’odorat
Des neuroprothèses équivalentes existent pour d’autres sens. Les implants cochléaires sont la neurotechnologie la plus performante à ce jour, avec plus de 700 000 dispositifs implantés dans les oreilles à travers le monde. Des implants rétiniens ont été développés pour les personnes aveugles (bien que certains systèmes de vision bionique aient eu des problèmes commerciaux ), et les chercheurs travaillent même à restaurer le sens du toucher chez les personnes atteintes de prothèses et de paralysie . Mais l’odorat et le goût ont longtemps été considérés comme un défi trop difficile.
Pour comprendre pourquoi, il faut comprendre la merveilleuse complexité du système olfactif humain. Lorsque l’odeur d’une rose monte dans votre cavité nasale, les molécules odorantes se lient aux neurones récepteurs qui envoient des signaux électriques aux nerfs olfactifs. Ces nerfs traversent une plaque osseuse pour atteindre le bulbe olfactif, une petite structure neurale du cerveau antérieur. De là, l’information va à l’amygdale, une partie du cerveau qui régit les réponses émotionnelles ; l’hippocampe, une structure impliquée dans la mémoire ; et le cortex frontal, qui gère le traitement cognitif.
Les molécules odorantes qui pénètrent dans le nez se lient aux cellules réceptrices olfactives, qui envoient des signaux à travers l’os de la plaque cribriforme pour atteindre le bulbe olfactif. De là, les signaux sont envoyés au cerveau.
Ces connexions neuronales ramifiées sont la raison pour laquelle les odeurs peuvent parfois frapper avec une telle force, évoquant un souvenir heureux ou un événement traumatisant. « Le système olfactif a accès à des parties du cerveau que les autres sens n’ont pas », explique Costanzo. La diversité des connexions cérébrales, dit Coelho, suggère également que la stimulation du système olfactif pourrait avoir d’autres applications, allant bien au-delà de l’appréciation de la nourriture ou de la détection d’une fuite de gaz : « Cela pourrait affecter l’humeur, la mémoire et la cognition. »
Le système biologique est difficile à reproduire pour plusieurs raisons. Un nez humain possède environ 400 types de récepteurs différents qui détectent les molécules odorantes. En travaillant ensemble, ces récepteurs permettent aux humains de distinguer un nombre impressionnant d’odeurs : une étude de 2014 a estimé le nombre à 1 000 milliards . Jusqu’à présent, il n’était pas pratique de mettre 400 capteurs sur une puce qui serait attachée aux lunettes d’un utilisateur. De plus, les chercheurs ne comprennent pas encore complètement le code olfactif par lequel la stimulation de certaines combinaisons de récepteurs conduit à des perceptions d’odeurs dans le cerveau. Heureusement, Costanzo et Coelho connaissent des personnes travaillant sur ces deux problèmes.
Progrès sur les nez électroniques et la stimulation cérébrale
Les nez électroniques sont déjà utilisés aujourd’hui dans une variété d’environnements industriels, de bureau et résidentiels – si vous avez un détecteur de monoxyde de carbone typique dans votre maison, vous avez un nez électronique très simple.
Krishna Persaud conseille l’équipe de l’Université du Commonwealth de Virginie sur les capteurs de nez électronique.
« Les capteurs de gaz traditionnels sont basés sur des semi-conducteurs comme les oxydes métalliques », explique Krishna Persaud , chercheur de premier plan sur le nez électronique et professeur de chimioréception à l’Université de Manchester, en Angleterre. Il est également conseiller de Costanzo et Coelho. Dans la configuration de nez électronique la plus typique, dit-il, « lorsqu’une molécule interagit avec le matériau semi-conducteur, un changement de résistance se produit que vous pouvez mesurer ». Ces capteurs ont diminué au cours des deux dernières décennies, dit Krishna Persaud, et ils ont maintenant la taille d’une micropuce. « Cela les rend très pratiques à mettre dans un petit paquet », dit-il. Dans les premières expériences de l’équipe VCU, ils ont utilisé un capteur standard d’une société japonaise appelée Figaro .
Le problème avec ces capteurs disponibles dans le commerce, assure Krishna Persaud, est qu’ils ne peuvent pas faire la distinction entre un très grand nombre d’odeurs différentes. C’est pourquoi il a travaillé avec de nouveaux matériaux, tels que des polymères conducteurs peu coûteux à fabriquer, à faible consommation d’énergie et pouvant être regroupés dans un réseau pour offrir une sensibilité à des dizaines d’odeurs. Pour la neuroprothèse, « en principe, plusieurs centaines [de capteurs] pourraient être réalisables », explique Krishna Persaud.
Un produit de première génération ne permettrait pas aux utilisateurs de sentir des centaines d’odeurs différentes. Au lieu de cela, l’équipe VCU imagine d’abord inclure des récepteurs pour quelques odeurs liées à la sécurité, comme la fumée et le gaz naturel, ainsi que quelques odeurs agréables. Ils pourraient même personnaliser la prothèse pour donner aux utilisateurs des odeurs qui ont du sens pour eux : l’odeur du pain pour un boulanger amateur, par exemple, ou l’odeur d’une pinède pour un randonneur passionné.
Associer cette technologie de nez électronique aux dernières neurotechnologies est le défi actuel de Costanzo et Coelho. Tout en travaillant avec Persaud pour tester de nouveaux capteurs, ils s’associent également à des cliniciens de Boston pour étudier la meilleure méthode d’envoi de signaux au cerveau.
L’équipe VCU a jeté les bases avec des expérimentations animales. Dans des expériences sur des rats en 2016 et 2018 , l’équipe a montré que l’utilisation d’électrodes pour stimuler directement des taches à la surface du bulbe olfactif générait des modèles d’activité neuronale profondément dans le bulbe, dans les neurones qui transmettaient des messages à d’autres parties du cerveau. Les chercheurs ont appelé ces modèles des cartes d’odeurs. Mais alors que l’activité neuronale indiquait que les rats percevaient quelque chose , les rats ne pouvaient pas dire aux chercheurs ce qu’ils sentaient.
Eric Holbrook, un oto-rhino-laryngologiste, travaille souvent avec des patients qui ont besoin de chirurgies dans leurs cavités sinusales. Il a aidé l’équipe VCU avec des expériences cliniques préliminaires.
Leur prochaine étape consistait à recruter des collaborateurs capables de réaliser des essais similaires avec des volontaires humains. Ils ont commencé avec l’un des anciens étudiants de Costanzo, Eric Holbrook , professeur agrégé d’oto-rhino-laryngologie à la Harvard Medical School et directeur de la rhinologie au Massachusetts Eye and Ear . Holbrook passe une grande partie de son temps à opérer les cavités des sinus des personnes , y compris les cavités des sinus ethmoïdaux , qui sont positionnées juste en dessous de la plaque cribriforme, une structure osseuse qui sépare les récepteurs olfactifs du bulbe olfactif.
Eric Holbrook a découvert, en 2018, que placer des électrodes sur l’os transmettait une impulsion électrique au bulbe olfactif. Dans un essai avec des patients éveillés, trois des cinq volontaires ont rapporté une perception des odeurs pendant cette stimulation, les odeurs rapportées comprenant « une odeur d’oignon », « comme un antiseptique et acide » et « fruité mais mauvais ». Alors que Holbrook considère l’essai comme une bonne preuve de concept pour un système d’implant olfactif, il dit qu’une mauvaise conductance à travers l’os était un facteur limitant important. « Si nous voulons fournir des zones de stimulation discrètes et séparées », dit-il, « cela ne peut pas se faire à travers les os et devra être sur le bulbe olfactif lui-même. »
Placer des électrodes sur le bulbe olfactif serait un nouveau territoire. « Théoriquement », dit Coelho, « il existe de nombreuses façons d’y arriver. » Les chirurgiens pouvaient descendre à travers le cerveau, latéralement à travers l’orbite ou remonter à travers la cavité nasale, traversant la plaque cribriforme pour atteindre le bulbe. Coelho explique que les chirurgiens en rhinologie effectuent souvent des chirurgies à faible risque qui impliquent de percer la plaque criblée. « Ce qui est nouveau, ce n’est pas comment s’y rendre ou nettoyer après », dit-il, « c’est comment garder un corps étranger à l’intérieur sans causer de problèmes. »
Mark Richardson, un neurochirurgien, a des patients épileptiques qui se portent volontaires pour des études en neurosciences pendant qu’ils sont à l’hôpital pour une surveillance cérébrale avec des électrodes implantées.
Une autre tactique serait de sauter le bulbe olfactif et de stimuler à la place les parties «en aval» du cerveau qui reçoivent les signaux du bulbe olfactif. Le champion de cette approche est un autre des anciens étudiants de Richard Costanzo, Mark Richardson , directeur de la neurochirurgie fonctionnelle au Massachusetts General Hospital. Richardson demande souvent aux patients épileptiques de passer plusieurs jours à l’hôpital avec des électrodes dans le cerveau, afin que les médecins puissent déterminer quelles régions du cerveau sont impliquées dans leurs crises et planifier des traitements chirurgicaux. Cependant, pendant que ces patients attendent, ils sont souvent recrutés pour des études en neurosciences.
Pour contribuer aux recherches de Costanzo et Coelho, l’équipe de Richardson a demandé aux patients épileptiques de l’unité de surveillance de renifler une baguette imprégnée d’une odeur telle que la menthe poivrée, le poisson ou la banane. Les électrodes dans leur cerveau ont montré le schéma de l’activité neuronale résultante « dans des zones auxquelles nous nous attendions, mais aussi dans des zones où nous ne nous attendions pas », explique Richardson. Pour mieux comprendre les réponses cérébrales, son équipe vient de commencer une autre série d’expériences avec un outil appelé olfactomètre qui libérera des bouffées d’odeur plus précisément chronométrées.
Une fois que les chercheurs savent où le cerveau s’allume avec une activité en réponse, par exemple, à l’odeur de la menthe poivrée, ils peuvent essayer de stimuler ces zones uniquement avec de l’électricité dans l’espoir de créer la même sensation. « Avec la technologie existante, je pense que nous sommes plus proches d’induire les [perceptions olfactives] avec la stimulation cérébrale qu’avec la stimulation du bulbe olfactif », déclare Mark Richardson. Il note qu’il existe déjà des implants approuvés pour la stimulation cérébrale et affirme que l’utilisation d’un tel dispositif faciliterait la voie réglementaire. Cependant, la nature distribuée de la perception des odeurs dans le cerveau pose une nouvelle complication : un utilisateur aurait probablement besoin de plusieurs implants pour stimuler différentes zones. « Nous pourrions avoir besoin de visiter différents sites en succession rapide ou tous en même temps », dit-il.
Le chemin vers un appareil commercial
Outre-Atlantique, l’Union européenne finance son propre projet d’implant olfactif, baptisé ROSE (Restoring Odorant detection and recognition in Smell dEficits). Il a été lancé en 2021 et implique sept institutions à travers l’Europe.
Thomas Hummel , responsable de la clinique Smell & Taste de l’Université technique de Dresde et membre du consortium, explique que les chercheurs de ROSE s’associent à Aryballe , une société française qui fabrique un petit capteur pour l’analyse des odeurs. Les partenaires expérimentent actuellement la stimulation à la fois du bulbe olfactif et du cortex préfrontal. « Toutes les pièces qui sont nécessaires pour l’appareil, elles existent déjà », dit-il. « La difficulté est de les réunir. » Hummel estime que les recherches du consortium pourraient déboucher sur un produit commercial dans 5 à 10 ans. « C’est une question d’effort et une question de financement », dit-il.
Krishna Persaud, l’expert en nez électronique, dit que le jury ne sait pas si une neuroprothèse pourrait être commercialement viable. « Certaines personnes atteintes d’anosmie feraient n’importe quoi pour retrouver ce sentiment », dit-il. « Il s’agit de savoir s’il y a suffisamment de ces personnes pour créer un marché pour cet appareil », dit-il, étant donné que la chirurgie et les implants comportent toujours un certain risque.
Les chercheurs du VCU ont déjà eu une réunion informelle avec les régulateurs de la Food and Drug Administration des États-Unis, et ils ont entamé les premières étapes du processus d’approbation d’un dispositif médical implanté. Mais Moorehead, l’investisseur qui a tendance à se concentrer sur les questions pratiques, affirme que cette équipe de rêve pourrait ne pas mener la technologie jusqu’à la ligne d’arrivée d’un système commercial approuvé par la FDA. Il note qu’il existe de nombreuses sociétés d’implants médicaux qui possèdent cette expertise, comme la société australienne Cochlear , qui domine le marché des implants cochléaires. « Si je peux amener [le projet] à un stade où il est attrayant pour l’une de ces entreprises, si je peux en retirer une partie du risque pour eux, ce sera mon meilleur effort », déclare Moorehead.
Restaurer la capacité des gens à sentir et à goûter est le but ultime, dit Costanzo. Mais jusque-là, il y a autre chose qu’il peut leur donner. Il reçoit souvent des appels de personnes anosmiques désespérées qui ont découvert son travail. « Ils sont tellement reconnaissants que quelqu’un travaille sur une solution », conclut Richard Costanzo. « Mon objectif est de donner de l’espoir à ces personnes. »
