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Une nouvelle interface cerveau-machine (IMC) utilise la lumière pour « parler » au cerveau, montrent des expériences sur des souris.
Le dispositif sans fil mini-invasif, placé sous le cuir chevelu, reçoit des informations sous forme de motifs lumineux, qui sont ensuite transmis aux neurones génétiquement modifiés du tissu cérébral.
Dans la nouvelle étude, ces neurones se sont activés comme s’ils répondaient aux informations sensorielles provenant des yeux des souris. Les souris ont appris à faire correspondre ces différents modèles d’activité cérébrale pour effectuer des tâches spécifiques, notamment découvrir l’emplacement de délicieuses collations dans une série d’expériences en laboratoire.
L’appareil marque une étape vers une nouvelle génération d’IMC qui seront capables de recevoir des entrées artificielles – dans ce cas, de la lumière LED – indépendamment des canaux sensoriels typiques sur lesquels repose le cerveau, comme les yeux. Cela aiderait les scientifiques à construire des dispositifs qui s’interfacent avec le cerveau, sans nécessiter de fils traînants ou de pièces externes volumineuses.
« Cette technologie est un outil très puissant pour faire de la recherche fondamentale », et elle pourrait résoudre les problèmes de santé humaine à long terme, a déclaré John Rogerschercheur en bioélectronique à l’Université Northwestern et auteur principal de l’étude, publiée le 8 décembre dans la revue Neurosciences naturelles.
Contourner le système sensoriel
L’appareil, qui est plus petit qu’un index humain, est souple et flexible, il s’adapte donc à la courbure du crâne. Il comprend 64 minuscules LED, un circuit électronique qui alimente les lumières et une antenne réceptrice. De plus, une antenne externe contrôle les LED à l’aide de communications en champ proche (NFC) – des champs électromagnétiques pour les communications à courte portée, comme c’est le cas pour les paiements par carte sans contact.
Le dispositif compact est conçu pour être placé sous la peau plutôt que d’être implanté directement dans le cerveau. « Il projette la lumière directement sur le cerveau (à travers le crâne), et la réponse du cerveau à cette lumière est générée par une modification génétique dans les neurones », a déclaré Rogers à Live Science.
Les cellules du cerveau ne réagissent normalement pas à la lumière qui les éclaire, c’est pourquoi une modification génétique est nécessaire pour que cela se produise.
« La modification génétique crée des canaux ioniques sensibles à la lumière », a expliqué Rogers. Lorsqu’ils sont activés par la lumière, ces canaux permettent aux particules chargées de circuler dans les cellules du cerveau, déclenchant ainsi un signal qui est ensuite envoyé aux autres cellules. « Grâce à ce mécanisme, nous créons une sensibilité à la lumière directement dans le tissu cérébral lui-même », a-t-il déclaré. La modification génétique des cellules cérébrales a été réalisée à l’aide d’un vecteur viral, un virus inoffensif conçu pour délivrer la modification génétique souhaitée dans des cellules spécifiques de différentes régions du cerveau.
L’utilisation de la lumière pour contrôler l’activité des cellules génétiquement modifiées est appelée optogénétiqueet c’est une science relativement nouvelle. Dans des travaux antérieursles chercheurs ont utilisé une approche similaire pour activer un seul groupe de cellules cérébrales, mais le nouveau dispositif leur a permis de modifier l’activité de nombreux neurones dans le cerveau.
« (La modification génétique) ne stimule pas seulement la partie du cerveau qui est naturellement responsable de la perception visuelle, mais également toute la surface du cortex », a déclaré Rogers. Ainsi, l’envoi de différents modèles d’éclairage crée une distribution correspondante de l’activité neuronale. « C’est comme si nous pouvions projeter une série d’images – presque comme si nous jouions un film – directement dans le cerveau en contrôlant (la) séquence de motifs. »
Les chercheurs ont testé l’implant sur des souris en lui demandant sans fil de produire divers éclats de lumière à motifs. Les souris ont été entraînées à répondre à chaque modèle avec un comportement spécifique, indiquant qu’elles pouvaient distinguer les modèles transmis. Pour chaque type de signal, ils devaient se rendre dans une cavité spécifique d’un mur et, s’ils choisissaient correctement, ils recevaient de l’eau sucrée en récompense.
Ben ilun chercheur en neuro-ingénierie de l’Université Carnegie Mellon qui n’a pas participé à l’étude, l’a qualifié de nouvelle technique permettant d’utiliser la lumière pour régler les circuits à travers le cerveau. « Cela pourrait avoir diverses applications dans la recherche en neurosciences utilisant des modèles animaux… et au-delà », a-t-il déclaré.
Par exemple, les chercheurs voient le potentiel de ce dispositif dans les futures prothèses. Les applications pourraient inclure l’ajout de sensations, comme le toucher ou la pression, aux membres prothétiques, ou l’envoi de signaux visuels ou auditifs à des prothèses visuelles ou auditives.
« Les techniques optogénétiques sont commence tout juste à être utilisé avec les humains« , a déclaré Rogers. « Il y a d’énormes avantages (à utiliser la lumière) car vous n’avez pas besoin de perturber les tissus cérébraux. Vous pouvez utiliser différentes longueurs d’onde de lumière pour contrôler différentes régions du cerveau. »
Rogers a déclaré que d’un point de vue technologique, la plate-forme pourrait évoluer pour couvrir des zones beaucoup plus vastes du cerveau et contenir davantage de micro-LED. Cependant, ils devraient repenser les exigences en matière d’alimentation électrique pour prendre en charge un appareil plus grand. Techniquement, il devrait fonctionner chez l’homme comme chez la souris, mais des recherches supplémentaires seront nécessaires avant de tenter des tests chez l’homme.
« Le plus gros obstacle concerne l’approbation réglementaire de la modification génétique », a-t-il déclaré.
