La programmation neuronale désigne la modification artificielle de l’activité cérébrale dans le but de créer, altérer ou supprimer des souvenirs, ou encore recréer des sensations physiques. Bien que la science-fiction s’en serve depuis de nombreuses années, c’est aujourd’hui au tour des neurosciences de s’en emparer. Une équipe de biologistes a réussi, en effet, à développer un dispositif capable d’activer et désactiver plusieurs neurones par photo-stimulation holographique.
En utilisant des impulsions lumineuses, une équipe de biologistes de l’université de Berkeley (USA) est parvenue à moduler l’activité de plusieurs neurones simultanément. Une telle technique pourrait permettre l’édition neuronale dynamique dans le but de modifier la mémoire, supprimer la douleur ou encore introduire de nouvelles images créées ad hoc. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
La technologie développée par les chercheurs est appelée « modulateur cérébral holographique » et utilise la photo-stimulation holographique pour contrôler optiquement l’activité neuronale. Le but est, à terme, de pouvoir contrôler des milliers de neurones simultanément selon des schémas neurologiques typiques, afin de modifier la mémoire ou recréer artificiellement des sensations. Le dispositif mesure et analyse constamment l’activité cérébrale et, selon le contexte environnemental ou psychologique, décide quels neurones doivent être stimulés ou inhibés.
Une telle technologie pourrait permettre à des personnes aveugles de « voir » ce qui les entoure – via une caméra qui pourrait convertir les images perçues en signal électrique neuronal recréant l’image, répliquant ainsi le rôle du nerf optique – ou encore une prothèse recréant les sensations du toucher. « Cette technique a un grand potentiel concernant les prothèses neurales, grâce à sa précision permettant au cerveau d’interpréter les schémas d’activation neuronaux. Si vous pouvez lire et écrire le langage du cerveau, alors vous pouvez communiquer plus facilement avec ce dernier » explique Alan Mardinly, biologiste cellulaire et moléculaire (université de Berkeley). « Il s’agit de la première étape d’une longue route pour développer une technologie d’implant cérébral virtuel créant ou améliorant des sensations ».
Pour ce faire, les scientifiques ont testé leur dispositif sur des cerveaux de souris, plus précisément sur des sections tridimensionnelles de cerveau, comprenant entre 2000 et 3000 neurones. Ils ont utilisé des vecteurs viraux (des virus dont la charge virale a été remplacée par un génome artificiel) afin d’intégrer aux neurones une séquence ADN permettant la production de protéines particulières appelées « opsines ». Les opsines sont des protéines capables de réagir à l’énergie lumineuse en se couplant au rétinal (encore appelé vitamine A). Pour les besoins de l’expérience, les chercheurs ont créé des outils opto-génétiques stimulant l’activité des opsines, baptisés « ST-ChroME » et « IRES-ST-eGtACR1 ».
À travers un foramen (une cavité) osseux situé dans le crâne des souris, les biologistes ont envoyé des impulsions lumineuses – environ 300 par seconde, chacune pouvant activer 50 neurones à la fois. La difficulté résidait dans le fait de cibler individuellement les neurones. Pour contourner le problème, les auteurs ont créé un modèle informatique holographique générant un schéma 3D par courbure et concentration de la lumière. Ce schéma lumineux a ensuite été projeté sur les tissus du cortex somatosensoriel, contrôlant le toucher, la vision et la motricité, permettant de moduler individuellement l’activité de chaque neurone.
Cette vidéo montre la photo-stimulation holographique de plusieurs neurones sur trois couches de tissu cérébral :
Durant l’expérience, les souris marchaient sur des tapis roulant avec leur tête totalement immobilisée, pour cibler correctement les neurones sélectionnés. L’activité cérébrale, analysée en temps réel, s’est révélée identique à celle qu’aurait eu la souris si elle parcourait librement le sol dans son état naturel, indiquant que le stimulus induit artificiellement fonctionnait bien. Un travail encore long attend les scientifiques, la technologie ne permettant d’agir que sur une très petite zone du cerveau et nécessitant un lourd équipement. Cependant, les auteurs indiquent que la taille pourrait être réduite à celle d’un sac à dos.
La prochaine étape est d’entraîner les souris afin de détecter d’éventuels changements comportementaux suite à la modulation neuronale. Les chercheurs ambitionnent également d’enregistrer de véritables schémas d’activité cérébrale dans le cortex, afin de les reproduire ensuite grâce au modulateur cérébral holographique pour vérifier si oui ou non, ils obtiennent la même réponse.
