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19 Jan, 2024

Un capteur ultrafin et à haute résolution enregistre l’activité d’un seul neurone au plus profond du cerveau

Un capteur ultrafin et à haute résolution enregistre l’activité d’un seul neurone au plus profond du cerveau

Des chercheurs ont créé un capteur cérébral ultrafin et à haute résolution capable d’enregistrer l’activité cérébrale jusqu’à une profondeur de 10 cm.

Des chercheurs ont utilisé une nouvelle technique de fabrication pour créer un capteur peu invasif et personnalisable qui peut enregistrer sans fil l’activité cérébrale profonde avec une résolution d’un ou deux neurones. Ce dispositif pourrait trouver des applications dans un large éventail de pathologies neurologiques telles que l’épilepsie résistante aux traitements, la maladie de Parkinson et la douleur chronique.

La stéréoélectroencéphalographie (SEEG) est l’approche de référence utilisée dans un large éventail de troubles neurologiques, tels que l’épilepsie résistante au traitement et la maladie de Parkinson. Des électrodes implantées enregistrent l’activité cérébrale et/ou fournissent une stimulation électrique directe à des régions spécifiques du cerveau. Cependant, de nombreux réseaux d’électrodes actuellement utilisés en clinique ont une résolution spatiale limitée et sont incapables d’enregistrer des populations neuronales petites et discrètes, et encore moins des neurones uniques.

Des chercheurs dirigés par une équipe du Integrated Electronics and Biointerfaces Laboratory (IEBL) de la Jacobs School of Engineering de l’université de San Diego aux Etats-Unis ont relevé le défi en créant un capteur cérébral qui pourrait changer la donne. Sans fil, personnalisable, peu invasif et d’une fraction de la largeur d’un cheveu humain, le dispositif peut fournir des enregistrements à haute résolution des profondeurs du cerveau et délivrer une stimulation électrique thérapeutique.

« Les nouvelles électrodes de profondeur combinent deux caractéristiques uniques : la résolution beaucoup plus élevée des contacts d’enregistrement combinée à la capacité de stimulation, qui améliorerait notre capacité à comprendre – et potentiellement à traiter/changer – les circuits neuronaux dans les parties du cerveau qui ne sont pas accessibles par l’interface de surface ou pénétrante », a déclaré Ahmed Raslan, coauteur de l’étude. « Cette nouvelle électrode est une plateforme d’interface neuronale qui peut à la fois lire et écrire dans le cerveau dans des environnements expérimentaux et cliniques ; à ce titre, les utilisations et applications potentielles sont illimitées.

La clé des capacités du dispositif de micro-stéréo-électroencéphalographie (µSEEG) est son processus de fabrication unique, dérivé des technologies existantes utilisées pour fabriquer des écrans d’affichage numérique. Les sondes sont « monolithiques » – les composants individuels sont empilés les uns sur les autres pour créer une seule unité cohésive – ce qui évite d’avoir à assembler des fils supplémentaires pour effectuer des enregistrements. Cela signifie également que la sonde ne mesure que 15 microns d’épaisseur, soit environ un cinquième de la largeur d’un cheveu humain, et 1,2 mm de large. Leur taille minuscule minimise les dommages causés au tissu cérébral lors de l’insertion et de l’extraction.

Avec seulement 15 microns d’épaisseur et 1,2 mm de largeur, les électrodes peuvent enregistrer l’activité cérébrale jusqu’à une profondeur de 10 cm.

« Nous avons mis au point une méthode de fabrication entièrement différente pour les électrodes à couche mince qui peut atteindre les structures cérébrales profondes – à une profondeur nécessaire pour des raisons thérapeutiques – permettant une production reproductible, personnalisable et à haut débit d’électrodes avec une résolution spatiale et un nombre de canaux élevés malgré un corps d’électrode plus fin », a déclaré Shadi Dayeh, auteur correspondant de l’étude. « En outre, l’insertion des électrodes est compatible avec les techniques chirurgicales existantes dans la salle d’opération, ce qui réduit la barrière à leur adoption dans les procédures cliniques. »

Les chercheurs ont créé des µSEEG de différentes longueurs pour une utilisation chez les petits et grands animaux et chez l’homme : une version à 32 électrodes avec une longueur d’enregistrement de 1,92 mm, une version à 64 électrodes de 3,8 mm et une version à 128 électrodes de 7,65 mm pour accéder à des structures cérébrales plus profondes. En testant leurs dispositifs dans des cerveaux de rats, de porcs et de primates non humains à court et à long terme et à différentes profondeurs, ils ont constaté qu’ils pouvaient enregistrer à une profondeur de 10 cm (4 pouces), y compris l’activité de neurones uniques et multiples.

(a) Reconstruction 3D du long µSEEG inséré à plusieurs profondeurs. (b) IRM avec tomodensitométrie superposée montrant les profondeurs du µSEEG dans le cerveau. (c) Exemple d’enregistrement à la deuxième profondeur montrant l’activité d’un seul neurone

Le µSEEG a également été testé sur deux patients devant subir une intervention chirurgicale pour l’ablation d’une tumeur cérébrale. Pendant l’opération, les chercheurs ont inséré leur appareil dans le tissu cérébral sur le point d’être excisé. Bien que les enregistrements aient été de courte durée (10 minutes), l’appareil a capté une activité neuronale spontanée permanente. Les SEEG conventionnels comportent généralement entre 8 et 16 électrodes. Bien que leur dispositif plus grand en comporte 128, les chercheurs prévoient d’étendre ce nombre à des milliers, ce qui améliorera considérablement la capacité des cliniciens à obtenir et à analyser les signaux cérébraux à une résolution plus élevée.

Selon les chercheurs, cette nouvelle technologie sera particulièrement utile pour les patients épileptiques soumis à un contrôle de l’activité épileptique.

« Actuellement, les patients [épileptiques] qui subissent ce type d’évaluation restent à l’hôpital pendant toute la durée de l’étude, où nous essayons de déterminer l’origine de leurs crises uniques pendant une période qui dure généralement de 7 à 21 jours », a déclaré Sharona Ben-Haim, coauteur de l’étude. « Pendant cette période, les patients sont attachés à leur lit d’hôpital par les câbles du système d’électrodes clinique actuel. Cette nouvelle technologie pourrait nous permettre de renvoyer ces patients chez eux, les libérant ainsi d’un long séjour à l’hôpital et nous permettant d’enregistrer pendant de plus longues périodes et d’obtenir des informations plus solides pour nous aider à traiter leurs crises avec plus de précision et de résolution que ce qui était possible jusqu’à présent. »

Les électrodes sont équipées de 128 capteurs capables d’enregistrer des signaux cérébraux extrêmement localisés et de 16 contacts de stimulation capables de délivrer une stimulation électrique de qualité clinique.

Alors que l’étude publiée ne fait état que des données d’enregistrement cérébral, la µSEEG comprend également 16 contacts de stimulation conçus pour fournir une stimulation électrique à des endroits précis du cerveau. Les chercheurs utilisent actuellement leur approche évolutive de fabrication de couches minces pour développer une interface cerveau-ordinateur qui enregistre l’activité cérébrale et délivre une stimulation électrique thérapeutique.

Au-delà de l’épilepsie résistante au traitement, les chercheurs affirment que la µSEEG a un large éventail d’applications potentielles, notamment pour aider les personnes atteintes de la maladie de Parkinson, de troubles du mouvement, de TOC, d’obésité, de dépression résistante au traitement et de douleur chronique.

« Il ne fait aucun doute dans mon esprit que cela nous aidera à mieux comprendre à la fois le fonctionnement normal du cerveau et la pathologie, et conduira à de nouvelles façons d’aider les personnes souffrant d’épilepsie et d’une variété d’autres conditions neurologiques », a déclaré Sydney Cash, un des co-auteurs de l’étude.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43727-9

https://today.ucsd.edu/story/transforming-clinical-recording-of-deep-brain-activity-with-a-new-take-on-sensor-manufacturing