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30 Nov, 2023

La nouvelle neurotechnologie évite l’électricité pour les ultrasons 

La nouvelle neurotechnologie évite l’électricité pour les ultrasons 

Des entreprises s’associent pour utiliser la technologie des ultrasons sur puce pour développer un BCI, l’échographie peut être utilisée à la fois pour stimuler et enregistrer le cerveau.

L’année 2023 a été riche en développements dans le domaine de la technologie des interfaces cerveau-ordinateur (BCI) : des appareils capables de décoder les signaux cérébraux et de les utiliser pour contrôler un appareil externe, ou d’utiliser un appareil pour modifier les signaux cérébraux. Les développeurs de BCI , Neuralink , Paradromics et Synchron , ont tous franchi des étapes importantes dans le processus d’essai clinique, chacun rapprochant un peu plus un BCI entièrement implantable de la réalité clinique aux États-Unis. Ces entreprises développent des BCI qui interagissent électriquement avec le cerveau, mais une collaboration de recherche récemment annoncée développe un BCI qui utilise un médium radicalement différent : les ultrasons .

En octobre, les sociétés Forest Neurotech et Butterfly Network ont ​​annoncé un effort de recherche conjoint de 20 millions de dollars pour poursuivre le développement d’un BCI basé sur les ultrasons. Forest Neurotech accordera une licence à la technologie compacte d’échographie sur puce de Butterfly Network pour développer un appareil BCI à ultrasons mini-invasif destiné à être utilisé dans des contextes universitaires et de recherche.

La plupart des systèmes BCI mesurent l’activité cérébrale en lisant des signaux électriques, et certains stimulent également électriquement le cerveau. Le dispositif proposé par Forest utilisera plutôt des ondes sonores à haute fréquence pour interagir avec le cerveau. 

Les principes scientifiques qui guident cette approche sont inhabituels mais simples : les ondes ultrasonores focalisées directes (FUS : Direct focused ultrasound) peuvent modifier les potentiels d’action des neurones, c’est-à-dire les courants ioniques que les cellules cérébrales utilisent pour communiquer entre elles. L’échographie peut également être utilisée pour estimer l’activité neuronale dans les régions du cerveau en mesurant les changements locaux du flux sanguin via l’effet Doppler ; cette technique est connue sous le nom d’imagerie échographique fonctionnelle (fUSI : functional ultrasound imaging).

William Biederman , directeur technique de Forest Neurotech, affirme que la technologie de Butterfly permettra à son équipe de construire un BCI qui, une fois implanté dans le crâne de l’utilisateur, utilisera les ultrasons pour stimuler et enregistrer le cerveau « avec une précision submillimétrique ».

Pourquoi utiliser l’échographie dans un BCI ?

L’échographie présente certains avantages par rapport aux autres techniques de stimulation neuronale et d’imagerie. Pour la stimulation, les ondes ultrasonores focalisées peuvent cibler de manière flexible des régions spécifiques du cerveau depuis l’extérieur du crâne. En revanche, les techniques de stimulation électrique sont plus limitées dans l’espace car l’électricité ne voyage pas très loin à travers les tissus cérébraux.

La stimulation électrique des régions profondes du cerveau nécessite donc des procédures chirurgicales invasives qui placent des électrodes à proximité des sites concernés. L’enregistrement électrique du cerveau nécessite soit des implants profonds, soit des électrodes sur le cuir chevelu qui ne peuvent enregistrer l’activité que des régions cérébrales proches de la surface. 

L’enregistrement d’une activité neuronale profonde par échographie ne peut pas être effectué à travers le crâne, mais cela peut être réalisé en retirant un morceau de crâne et en posant l’appareil sur la surface du cerveau.

Le matériel d’échographie de Butterfly place les capacités de génération audio, de pilotage et d’enregistrement des systèmes d’échographie cliniques plus grands sur un seul appareil de la taille d’une puce. Forest prévoit d’utiliser ces puces à ultrasons pour stimuler les régions du cerveau avec des ondes ultrasonores dirigées et focalisées, ainsi que pour mesurer l’activité neuronale avec fUSI.

La technologie d’échographie sur puce de Butterfly Network sera utilisée dans une nouvelle interface cerveau-ordinateur.

La technique fUSI estime les changements dans l’activité neuronale en mesurant les changements dans le flux sanguin. Les neurones, comme toutes les cellules, ont besoin de sang pour fonctionner. L’augmentation de l’activité neuronale nécessite une augmentation du flux sanguin, que les techniques fUSI mesurent en projetant des ultrasons sur une région cérébrale d’intérêt et en enregistrant les ondes qui rebondissent. Lorsque le son rebondit sur une masse de sang qui coule, les ondes sonores qui en reviennent se tortillent à une fréquence différente de celles émises. fUSI utilise ce phénomène de décalage Doppler pour estimer les changements dans le flux sanguin et, par procuration, le bavardage électrochimique des neurones.

« Utiliser le flux sanguin pour imager l’activité neuronale avec des ultrasons fonctionnels fonctionne très bien », déclare Mikhail Shapiro , conseiller de Forest Neurotech et professeur au California Institute of Technology. « Cela fonctionne bien mieux que ce à quoi on s’attendait lorsque l’idée a été avancée pour la première fois. »

L’échographie peut à la fois enregistrer et contrôler l’activité neuronale. Bien que ce dernier phénomène soit connu depuis au moins les années 1950 , les scientifiques ne savent toujours pas exactement pourquoi le FUS déclenche le feu des neurones. Des expériences récentes dans lesquelles l’énergie ultrasonore était dirigée vers des tissus cérébraux isolés de rongeurs ont montré aux neuroscientifiques que des canaux ioniques calcium particuliers semblent être ouverts par des ondes sonores à haute fréquence, bien que la physique exacte de cette interaction reste encore un mystère.

Pour stimuler et enregistrer avec son BCI, le système de Forest nécessitera l’implantation de plusieurs puces à ultrasons Butterfly dans le crâne d’un utilisateur. Bien que la stimulation par ultrasons soit efficace à travers les os, les techniques d’enregistrement fUSI ne le sont pas. Le son est étouffé lorsqu’il traverse le crâne, et les atténuations sortantes et renvoyées rendent intenable un système d’enregistrement par ultrasons entièrement non invasif. Au lieu de cela, la société prévoit de placer les transducteurs dans le crâne et au ras de la surface de la dure-mère , une membrane protectrice qui recouvre le cerveau.

La collaboration entre Forest et Butterfly fait partie du plus grand projet de Butterfly Network.

Le Programme Butterfly Gardens , qui vise à mettre sa technologie à disposition des équipes du dispositif médical. Forest Neurotech, qui fait partie du groupe à but non lucratif Convergent Research , se concentre sur le développement technologique plutôt que sur la création et la commercialisation d’un dispositif clinique. «Durant la durée de vie de notre organisation de recherche à but non lucratif, nous n’avons pas l’intention de nous soumettre à la FDA», déclare Biederman. «Nous essayons de stimuler les découvertes scientifiques fondamentales et les utilisations de ce type de technologie.» Une fois que la technologie sera plus développée, la société prévoit de la mettre à la disposition d’autres organismes de recherche du monde universitaire et de l’industrie pour poursuivre le développement de produits et scientifiques.

https://spectrum.ieee.org/bci-ultrasound