Un appareil sans fil « parle » au cerveau par la lumière

L'implant pourrait restaurer les sens perdus et fournir un retour sensoriel aux membres prothétiques. Dans une avancée majeure pour la neurobiologie et la bioélectronique, des scientifiques de l'Université Northwestern ont mis au point un dispositif sans fil qui utilise la lumière pour envoyer des informations directement au cerveau, court-circuitant ainsi les voies sensorielles naturelles du corps.

Ce dispositif souple et flexible se place sous le cuir chevelu mais sur le dessus du crâne, où il délivre des motifs lumineux précis à travers l'os pour activer les neurones du cortex.

Lors d'expériences, des scientifiques ont utilisé les minuscules impulsions lumineuses structurées émises par le dispositif pour activer des populations spécifiques de neurones situés profondément dans le cerveau de souris modèles. (Ces neurones sont génétiquement modifiés pour réagir à la lumière.) Les souris ont rapidement appris à interpréter ces motifs comme des signaux significatifs, qu'elles pouvaient reconnaître et utiliser. Même sans contact, vision ni audition, les animaux ont reçu les informations nécessaires pour prendre des décisions et ont réussi à accomplir des tâches comportementales.

Cette technologie recèle un immense potentiel pour diverses applications thérapeutiques, notamment la fourniture d'un retour sensoriel pour les prothèses de membres, la délivrance de stimuli artificiels pour les futures prothèses visuelles ou auditives, la modulation de la perception de la douleur sans opioïdes ni médicaments systémiques, l'amélioration de la réadaptation après un AVC ou une blessure, le contrôle des membres robotisés par la pensée, et bien plus encore.

L'étude sera publiée dans la revue Nature Neuroscience.

« Notre cerveau transforme constamment l'activité électrique en expériences, et cette technologie nous permet d'accéder directement à ce processus », explique Yevgenia Kozorovitskiy , neurobiologiste à l'université Northwestern et responsable des travaux expérimentaux. « Cette plateforme nous permet de créer des signaux entièrement nouveaux et d'observer comment le cerveau apprend à les utiliser. Elle nous rapproche un peu plus de la restauration des sens perdus après une blessure ou une maladie, tout en nous offrant un aperçu des principes fondamentaux qui nous permettent de percevoir le monde. »

« La mise au point de ce dispositif nous a obligés à repenser les moyens de stimuler le cerveau de manière ciblée, sous une forme à la fois minimalement invasive et entièrement implantable », explique John A. Rogers , pionnier de la bioélectronique à Northwestern et responsable du développement technologique. « En intégrant un réseau souple et adaptable de micro-LED – chacune aussi petite qu’un cheveu – à un module de commande sans fil, nous avons créé un système programmable en temps réel, entièrement sous-cutané et sans incidence mesurable sur le comportement naturel des animaux. Il représente une avancée majeure dans la conception de dispositifs capables d’interagir avec le cerveau sans câbles encombrants ni matériel externe volumineux. Ce dispositif est précieux à court terme pour la recherche fondamentale en neurosciences et à long terme pour répondre aux enjeux de santé humaine. »

Ce dispositif souple et flexible se place sous le cuir chevelu mais sur le dessus du crâne, où il délivre des motifs lumineux précis à travers l'os pour activer les neurones du cortex.

Reproduire les schémas naturels de l'activité cérébrale

Cette nouvelle étude s'appuie sur des travaux antérieurs , dans lesquels Kozorovitskiy et Rogers ont présenté le premier dispositif entièrement implantable, programmable, sans fil et sans batterie, capable de contrôler les neurones par la lumière. Publiée dans Nature Neuroscience en 2021, l'étude précédente utilisait une unique sonde micro-LED pour influencer le comportement social de souris. Alors que les recherches précédentes en optogénétique (une méthode de contrôle des neurones par la lumière) nécessitaient des fibres optiques qui immobilisaient les souris, cette version sans fil permettait aux animaux d'avoir une apparence et un comportement normaux en interaction sociale.

Cette nouvelle version fait progresser la recherche en permettant une communication plus riche et plus flexible avec le cerveau. Au-delà de la simple activation et désactivation d'une région neuronale, le dispositif intègre un réseau programmable de 64 micro-LED. Grâce au contrôle en temps réel de chaque LED, les chercheurs peuvent envoyer au cerveau des séquences complexes susceptibles de reproduire l'activité distribuée observée lors des sensations naturelles. Puisque les expériences sensorielles réelles activent des réseaux corticaux distribués – et non de minuscules groupes de neurones localisés –, cette conception multirégionale imite plus fidèlement les schémas d'activité cérébrale naturels.

« Dans la première étude, nous utilisions une seule micro-LED », explique Wu. « Nous utilisons maintenant un réseau de 64 micro-LED pour contrôler le schéma d'activité corticale. Le nombre de schémas que nous pouvons générer avec différentes combinaisons de LED (fréquence, intensité et séquence temporelle) est quasi infini. »

De la taille d'un timbre-poste et plus fin qu'une carte de crédit, ce nouveau dispositif est également moins invasif. Au lieu de pénétrer dans le cerveau par une minuscule ouverture crânienne, ce dispositif souple et flexible épouse la surface du crâne et projette la lumière à travers l'os.

« La lumière rouge pénètre très bien dans les tissus », a déclaré Kozorovitskiy. « Elle atteint une profondeur suffisante pour activer les neurones à travers la boîte crânienne. »

Stimulation réussie

Pour tester le système, l'équipe a utilisé des souris génétiquement modifiées pour posséder des neurones corticaux sensibles à la lumière. Ces souris ont ensuite été entraînées à associer un schéma particulier de stimulation cérébrale à une récompense. Généralement, cette tâche consistait à se rendre à un orifice spécifique dans une enceinte.

Au cours d'une série d'essais, l'implant a délivré un motif spécifique à travers quatre régions corticales, comme si un code était directement intégré aux circuits neuronaux. Les souris ont rapidement appris à reconnaître ce motif cible parmi des dizaines d'alternatives. Grâce à des signaux artificiels véhiculés par ce motif, elles ont sélectionné le bon port pour recevoir une récompense.

« En sélectionnant systématiquement le bon port, l'animal a démontré qu'il avait bien reçu le message », a expliqué Wu. « Incapables d'utiliser le langage pour nous dire ce qu'ils perçoivent, ils communiquent donc par leur comportement. »

L'équipe ayant démontré que le cerveau peut interpréter des stimulations structurées comme des signaux significatifs, elle prévoit de tester des schémas plus complexes et d'explorer le nombre de schémas distincts que le cerveau peut apprendre. Les prochaines versions pourraient inclure davantage de LED, un espacement plus réduit entre elles, des réseaux plus étendus couvrant une plus grande partie du cortex et des longueurs d'onde lumineuses pénétrant plus profondément dans le cerveau.

https://news.northwestern.edu/stories/2025/12/wireless-device-speaks-to-the-brain-with-light