Des LED pour visualiser l’activité cérébrale pendant une opération

Les neurochirurgiens sont constamment à la recherche de nouvelles technologies pour améliorer la précision et l’efficacité des interventions chirurgicales sur le cerveau. Une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à San Diego et du Massachusetts General Hospital (MGH) a développé un dispositif innovant combinant une grille d’électrodes et des LED sur un film mince, permettant de suivre et de visualiser l’activité cérébrale en temps réel pendant une opération.

Un outil visuel pour guider les neurochirurgiens

Chaque LED du dispositif reflète l’activité de quelques milliers de neurones. Lors d’une série d’expériences de preuve de concept menées sur des rongeurs et de grands mammifères non primates, les chercheurs ont démontré que le dispositif peut efficacement suivre et afficher l’activité neuronale du cerveau correspondant à différentes zones du corps.

Dans ce cas précis, les LED développées par l’équipe s’allument en rouge dans les zones devant être retirées par le chirurgien, tandis que les zones environnantes contrôlant des fonctions essentielles et devant être évitées apparaissent en vert.

Visualiser et traiter l’épilepsie

L’étude a également montré que le dispositif peut visualiser le début et cartographier la propagation d’une crise d’épilepsie à la surface du cerveau. Cela permettrait aux médecins d’isoler les «nœuds» du cerveau impliqués dans l’épilepsie et de fournir le traitement nécessaire en retirant les tissus ou en utilisant des impulsions électriques pour stimuler le cerveau.

Selon Daniel Cleary, l’un des coauteurs de l’étude, neurochirurgien et professeur assistant à l’Oregon Health and Science University, « les neurochirurgiens pourraient voir et arrêter une crise avant qu’elle ne se propage, visualiser les zones cérébrales impliquées dans différents processus cognitifs et visualiser l’étendue fonctionnelle de la propagation d’une tumeur ».

Une communication plus efficace pendant les interventions

Actuellement, les neurochirurgiens travaillent avec une équipe d’électrophysiologistes pendant l’intervention, mais cette équipe et son équipement de surveillance se trouvent dans une autre partie de la salle d’opération. Les zones cérébrales à protéger et celles à opérer sont soit marquées par les électrophysiologistes sur un papier remis au chirurgien, soit communiquées verbalement à ce dernier, qui place ensuite des papiers stériles sur la surface du cerveau pour marquer ces régions.

Le Dr Angelique Paulk du MGH, coauteur et co-inventeur de la technologie, souligne que « ces deux méthodes sont des moyens inefficaces de communiquer des informations critiques pendant une intervention et pourraient avoir un impact sur ses résultats ».

Une précision accrue grâce à la technologie LED

De plus, les électrodes actuellement utilisées pour surveiller l’activité cérébrale pendant une intervention chirurgicale ne produisent pas de données détaillées et précises. Les chirurgiens doivent donc conserver une zone tampon, appelée marge de résection, de 5 à 7 millimètres autour de la zone qu’ils retirent à l’intérieur du cerveau, ce qui signifie qu’ils pourraient laisser des tissus nocifs.

Le nouveau dispositif fournit un niveau de détail qui permettrait de réduire cette zone tampon à moins d’un millimètre. Shadi Dayeh, auteur correspondant de l’article et professeur au département de génie électrique et informatique de l’UC San Diego, explique : « Nous avons inventé le micro-écran cérébral pour afficher avec précision les limites corticales critiques et guider la neurochirurgie dans un dispositif rentable qui simplifie et réduit le temps des procédures de cartographie cérébrale ».

Une technologie innovante et prometteuse

Les chercheurs ont installé les LED sur une autre innovation du laboratoire Dayeh, la grille d’électrodes en nanotige de platine (PtNRGrid). Depuis 2019, l’équipe de Dayeh est pionnière dans la cartographie du cerveau et de la moelle épinière humaine avec des milliers de canaux pour surveiller l’activité neuronale du cerveau.

Le PtNRGrid comprend également des perforations, qui permettent aux médecins d’insérer des sondes pour stimuler le cerveau avec des signaux électriques, à la fois pour la cartographie et pour la thérapie.

L’équipe de Dayeh à l’UC San Diego a pu intégrer des milliers de LED dans des films flexibles et les libérer du substrat sous la forme d’un panneau d’affichage flexible. Les chercheurs ont ensuite utilisé l’impression par jet d’encre pour déposer des encres à points quantiques sur la surface des LED afin de convertir leur lumière bleue en plusieurs autres couleurs.

Perspectives d’avenir

L’équipe de Dayeh travaille actuellement sur un micro-écran qui comprendra 100 000 LED, avec une résolution équivalente à celle d’un écran de smartphone. Chaque LED de ces écrans refléterait l’activité de quelques centaines de neurones. Ces micro-écrans cérébraux coûteront une fraction du prix d’un smartphone haut de gamme.

Ce micro-écran cérébral comprendra également une partie pliable, permettant aux chirurgiens d’opérer à l’intérieur de cette partie tout en surveillant l’impact de la procédure, tandis que l’autre partie dépliée du micro-écran montrera l’état du cerveau en temps réel.

Les chercheurs travaillent également sur une limitation de l’étude. La proximité des capteurs LED et des PtNRGrids a entraîné une légère interférence et du bruit dans les données. L’équipe prévoit de construire un matériel personnalisé pour modifier la fréquence des impulsions qui allument les LED afin de faciliter le filtrage de ce signal, qui n’est pas pertinent pour l’activité électrique du cerveau.

Légende illustration : « Chaque LED du dispositif reflète l’activité de quelques milliers de neurones. Lors d’une série d’expériences de validation du concept menées sur des rongeurs et de grands mammifères non primates, les chercheurs ont montré que le dispositif peut effectivement suivre et afficher l’activité neuronale dans le cerveau correspondant à différentes zones du corps. Dans ce cas, les diodes électroluminescentes mises au point par l’équipe s’allument en rouge dans les zones qui doivent être retirées par le chirurgien. Les zones environnantes qui contrôlent des fonctions critiques et doivent être évitées s’affichent en vert. »

Article : « An electroencephalogram microdisplay to visualize neuronal activity on the brain surface » – 10.1126/scitranslmed.adj7257