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Une équipe de chercheurs internationale a mis au point un appareil capable de contrôler les circuits neuronaux à l’aide d’un minuscule implant cérébral sans fil. Le dispositif est contrôlable via smartphone, simplifiant considérablement l’administration et la personnalisation des traitements.

Selon les scientifiques en charge du projet, l’appareil peut accélérer les efforts visant à détecter des maladies du cerveau telles que la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer, la dépendance aux drogues, la dépression et la douleur chronique. Composée de scientifiques coréens et américains, l’équipe de recherche présente son dispositif pour la première fois dans la revue Nature Biomedical Engineering. 

L’appareil, qui utilise des “cartouches” de médicaments remplaçables ainsi que de puissantes cartes Bluetooth à basse consommation énergétique, peut cibler des neurones spécifiques en utilisant des médicaments et de la lumière pendant de longues périodes.

« Le dispositif neuronal sans fil permet une neuromodulation optique et chimique chronique jamais réalisée auparavant », a déclaré l’auteur principal Raza Qazi, chercheur à l’Institut supérieur coréen de science et de technologie (KAIST) et à l’Université du Colorado – Boulder.

Selon Qazi, cette technologie pourrait complètement remplacer les méthodes conventionnelles utilisées par les neuroscientifiques, qui impliquent généralement des tubes métalliques rigides et des fibres optiques pour délivrer des médicaments et des impulsions lumineuses.

En plus de limiter les mouvements du sujet en raison des connexions physiques avec un équipement volumineux, la structure relativement rigide des dispositifs conventionnels provoque une lésion des tissus cérébraux mous au fil du temps, les rendant par conséquent impropres à une implantation à long terme.

Certains efforts ont été déployés pour atténuer en partie la réponse tissulaire défavorable, en incorporant des sondes souples et des plates-formes sans fil, mais les solutions précédentes étaient limitées par leur incapacité à administrer des médicaments pendant de longues périodes ainsi que par leurs configurations de contrôle volumineuses et complexes.

dispositif manipulation cellules cerebrales sans fil

L’appareil, qui utilise des “cartouches” de médicaments remplaçables ainsi que de puissantes cartes Bluetooth basse énergie, peut cibler des neurones spécifiques en utilisant des médicaments et de la lumière pendant de longues périodes. Crédits : Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Pour parvenir à une administration chronique de médicaments sans fil, les scientifiques devaient résoudre le problème critique de l’épuisement et de l’évaporation des médicaments. Pour cela, des chercheurs du KAIST et de l’Université de Washington à Seattle ont collaboré au développement d’un dispositif neuronal doté d’une cartouche remplaçable, ce qui permettrait aux neuroscientifiques d’étudier les mêmes circuits cérébraux pendant plusieurs mois sans craindre d’être à court de médicaments.

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Ces cartouches de médicaments « plug-n-play » ont été assemblées dans un implant cérébral pour souris, au sein d’une sonde ultrafine (de l’épaisseur d’un cheveu humain), constituée de canaux microfluidiques et de minuscules LED (plus petites qu’un grain de sel). Cela permet d’injecter des doses de médicaments de façon illimitée et légère.

Le dispositif étant contrôlé par le biais d’une interface utilisateur ergonomique sur smartphone, les neuroscientifiques peuvent facilement déclencher toute combinaison spécifique ou séquençage précis de lumière et de médicaments chez tout animal cible implanté, sans avoir à se trouver physiquement dans le laboratoire.

À l’aide de ces dispositifs neuronaux sans fil, les chercheurs pourraient également facilement mettre en place des études entièrement automatisées sur les animaux, dans lesquelles le comportement d’un animal pourrait affecter positivement ou négativement le comportement d’autres animaux, en déclenchant de manière conditionnelle la lumière et/ou l’administration de médicaments.

« Cet appareil révolutionnaire est le fruit d’une conception électronique avancée et d’une ingénierie puissante à l’échelle micro et nanométrique », a déclaré Jae-Woong Jeong, professeur d’ingénierie électrique au KAIST. « Nous sommes intéressés par le développement ultérieur de cette technologie afin de mettre au point un implant cérébral pour des applications cliniques ».

Michael Bruchas, professeur d’anesthésiologie et de pharmacologie de la douleur à la faculté de médecine de l’Université de Washington, a déclaré que cette technologie aiderait les chercheurs de nombreuses manières.

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« Cela nous permettra de mieux disséquer la base du comportement des circuits neuronaux et la manière dont des neuromodulateurs spécifiques dans le cerveau adaptent différents types de comportements », a-t-il déclaré. « Nous désirons également utiliser le dispositif pour des études pharmacologiques complexes, ce qui pourrait nous aider à développer de nouveaux traitements pour la douleur, la dépendance aux drogues et les troubles émotionnels » ajoute-t-il.

Les chercheurs du groupe de Jeong, du KAIST, développent des composants électroniques souples pour les dispositifs portables et implantables, tandis que les neuroscientifiques du laboratoire Bruchas de l’Université de Washington étudient les circuits cérébraux contrôlant le stress, la dépression, la toxicomanie, la douleur et d’autres troubles neuropsychiatriques.

Cet effort global de collaboration entre ingénieurs et neuroscientifiques, étalé sur une période de trois années consécutives et des dizaines d’itérations de conception, a permis de valider avec succès la mise en place de ce puissant implant cérébral sur des souris. Ce travail, selon les chercheurs, a réellement le potentiel d’accélérer la compréhension du fonctionnement du cerveau et des maladies cérébrales.

Sources : Nature Biomedical Engineering, University of Washington

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