Une équipe scientifique a développé un nouveau type d’implant d’analyse cérébral transparent en graphène pour analyser le cerveau en surface et en profondeur.
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Un groupe d’experts fait avancer la recherche
« Lire dans les pensées » est probablement l’un des axes de recherche les plus fascinant qui soit, et parmi les plus inquiétants.
Plusieurs projets tentent de parvenir à décoder les signaux cérébraux, qu’il s’agisse de méthodes détournées (comme avec l’IA Stable Diffusion il y a un an) ou de nouvelles techniques basées sur les recherches les plus avancées en machine learning, côté Meta/Facebook.
Les chercheurs sont souvent confrontés à des problématiques matériels :
- Soit le dispositif est placé à la surface du cerveau ou en dehors (sur le crâne), et dans ce cas il ne peut pas capter des informations au-delà des couches périphériques.
- Soit il est placé dans le cerveau, à l’intérieur même, mais dans ce cas il engendre des inflammations de la zone et des complications qui peuvent être grave et perturber l’expérience (notamment les dispositifs faits d’électrodes dotées de fines aiguilles).
Mais une nouvelle technologie développée par des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego pourrait prendre « le meilleur des deux mondes » . Leur technologie et leurs découvertes sont les résultats d’une collaboration de plusieurs groupes de recherche de l’université.
Plusieurs chercheurs et techniciens de très haut niveau spécialisés font partis du projet :
- Duygu Kuzum, professeur au Département de génie électrique et informatique, était le directeur du projet
- Le professeur de nano-ingénierie Ertugrul Cubukcu, spécialisé dans les techniques avancées de micro et nanofabrication des matériaux à base de graphène
- Le professeur de génie électrique et informatique Vikash Gilja, dont le laboratoire intègre des travaux spécifiques au domaine « des neurosciences fondamentales, du traitement du signal et de l’apprentissage automatique pour décoder les signaux neuronaux »
- Le professeur de neurobiologie et de neurosciences Takaki Komiyama, dont le laboratoire se concentre sur l’étude des mécanismes des circuits neuronaux qui sont à la base des comportements flexibles.
Un nouveau dispositif inédit pour décoder les signaux du cerveau
Ensemble, ils ont développé un implant neuronal d’un nouveau genre :
L’implant est une fine bande de polymère transparente et flexible qui vient épouser la surface du cerveau. Elle est incrustée d’un réseau très dense de minuscules électrodes circulaires en graphène, chacune mesurant 20 micromètres de diamètre. Chaque électrode est reliée à un circuit imprimé par un fil de graphène d’une épaisseur de quelques micromètres.
Dans le détail, ces microélectrodes de graphène sont transparentes et faites avec des ouvertures « ultra-petites » et « une grande zone d’enregistrement transparente sans aucune extension » avec des « réseaux de microélectrodes haute densité allant jusqu’à 256 canaux ».
Quant à la finesse extrême du dispositif, les chercheurs ont utilisé pour y parvenir « des nanoparticules de platine pour dépasser la limite de capacité quantique du graphène et réduire le diamètre de la microélectrode à 20 µm ».
Duygu Kuzum commente cette avancée technique majeure et ses possibilités :
« Cette nouvelle génération d’électrodes de graphène transparentes intégrées à haute densité nous permet d’échantillonner l’activité neuronale avec une résolution spatiale plus élevée.
En conséquence, la qualité des signaux s’améliore considérablement. Ce qui rend cette technologie encore plus remarquable, c’est l’intégration de méthodes d’apprentissage automatique, qui permettent de prédire l’activité neuronale profonde à partir des signaux de surface. »
Finesse et transparence : les atouts du graphène
La transparence est l’une des caractéristiques clés de ce nouveau système d’implant d’étude neuronal.
Les technologies actuels utilisent des matériaux métalliques – opaques – pour leurs électrodes et leurs fils, ce qui bloquent la vue des neurones situés sous les électrodes lors des expériences d’imagerie.
En revanche, avec un implant réalisé à partir de graphène transparent, le champ de vision est totalement dégagé lors des analyses et tests d’imagerie.
Pour rendre le dispositif complètement transparent, les chercheurs ont utilisé des fils de graphène longs et très fins au lieu des fils métalliques traditionnels, pour connecter les électrodes au circuit imprimé.
Cependant, une seule couche de graphène était risqué car le moindre défaut rendrait le fil non fonctionnel. Mehrdad Ramezani, doctorant en génie électrique et informatique dans le laboratoire de Kuzum explique : « Il peut y avoir un espace dans le fil de graphène qui empêche le signal électrique de circuler, vous vous retrouvez donc avec un fil cassé. »
Les chercheurs ont trouvé la solution : Au lieu de fabriquer les fils avec une seule couche de graphène, ils ont utilisé une double couche « dopée à l’acide nitrique » au milieu. Mehrdad Ramezani poursuit :
« En superposant deux couches de graphène, il y a de fortes chances que les défauts d’une couche soient masqués par l’autre couche, garantissant ainsi la création de fils de graphène entièrement fonctionnels, fins et longs, avec une conductivité améliorée. »
L’ensemble forme « le réseau d’électrodes transparentes le plus densément emballé sur un implant neuronal posé en surface ».
Cette approche a amélioré le flux d’électrons à travers les électrodes, tout en les gardant minuscules et transparentes.
Ce dispositif permet ainsi s’observer et d’obtenir des informations sur l’activité au plus profond du cerveau, alors même qu’il est placé seulement à sa surface.
Duygu Kuzum :
« L’intégration transparente de l’enregistrement des signaux électriques et de l’imagerie optique de l’activité neuronale en même temps n’est possible qu’avec cette technologie.
Pouvoir mener les deux expériences en même temps nous fournit des données plus pertinentes, car nous pouvons voir observer les expériences d’imagerie sont couplées dans le temps aux enregistrements électriques. »
Des tests sur des souris transgéniques
Les chercheurs ont ensuite mené une batterie de premiers tests sur des « souris transgéniques ».
Et là, l’implant a permis aux chercheurs de capturer simultanément des informations sur deux types d’activité neuronale :
- l’activité électrique
- l’activité calcique (basée sur le calcium)
Lorsqu’il est placé sur la surface du cerveau, l’implant enregistre les signaux électriques des neurones des couches externes, sans surprise.
Mais dans le même temps, les scientifiques ont utilisé un microscope à photons pour projeter un laser à travers l’implant transparent, afin « d’imager les pointes de calcium provenant de neurones situés jusqu’à 250 micromètres sous la surface ». Et ainsi de parvenir à leur but : observer l’activité en surface et en profondeur du cerveau avec un seul implant.
Les chercheurs ont pu découvrir une corrélation entre les signaux électriques de surface et les pics de calcium à l’intérieur du cerveau.
De là, ils ont utilisé cette corrélation pour entraîner les un algorithme (basé sur un réseau neuronal « neural network ») à prédire l’activité du calcium, non seulement pour des volumes de neurones, mais aussi pour des neurones individuels, à différentes profondeurs.
« Le modèle de neural network est formé pour apprendre la relation entre les enregistrements électriques de surface et l’activité des ions calcium des neurones en profondeur. Une fois cette relation apprise, nous pouvons utiliser le modèle pour prédire l’activité en profondeur depuis la surface. »
L’un des avantages de pouvoir prédire à partir de cette étude l’activité du calcium à partir de signaux électriques de surface est qu’il surmonte les limites des expériences d’imagerie. Lors d’analyse des pics de calcium avec les technologies actuels, la tête du sujet doit être fixée au microscope, et ces expériences ne peuvent durer qu’une heure ou deux.
Mehrdad Ramezani :
« Comme les enregistrements électriques n’ont pas ces limitations, notre technologie permet de mener des expériences de plus longue durée dans lesquelles le sujet est libre de se déplacer et d’effectuer des tâches comportementales complexes. Cela peut fournir une compréhension plus complète de l’activité neuronale dans des scénarios dynamiques et réels. »
Dans le futur, l’équipe se concentrera maintenant sur de nouveaux tests de leur technologie sur d’autres types d’animaux, avec pour objectif ultime une tentative humaine dans le futur.
