Des capteurs 15 microns d’épaisseur pour une neurologie de précision

Dans l’objectif de repousser les limites de notre compréhension du cerveau, une équipe de chercheurs a mis au point une méthode de fabrication innovante pour des capteurs capables d’enregistrer l’activité neuronale profonde avec une précision inégalée. Cette avancée ouvrirait la chemin à de nouvelles approches thérapeutiques pour divers troubles neurologiques.

Les capteurs, développés par le laboratoire d’électronique intégrée et de bio-interfaces (IEBL) de l’Université de Californie à San Diego, sont basés sur des sondes ultra-minces, flexibles et personnalisables. Ces sondes, fabriquées à partir de matériaux de qualité clinique, sont équipées de capteurs capables d’enregistrer des signaux cérébraux extrêmement localisés. Leur petite taille permet une implantation très rapprochée, offrant ainsi une résolution de détection élevée dans des zones spécifiques à des profondeurs sans précédent dans le cerveau.

Actuellement, ces sondes peuvent enregistrer jusqu’à 128 canaux, contre seulement 8 à 16 pour les capteurs cliniques actuels. À l’avenir, la méthode de fabrication innovante développée par les chercheurs pourrait permettre d’augmenter le nombre de canaux à des milliers par sonde, améliorant considérablement la capacité des médecins à acquérir, analyser et comprendre les signaux cérébraux à une résolution plus élevée.

Des applications potentielles vastes et variées

Cette technologie représente une première étape vers la surveillance sans fil des patients atteints d’épilepsie résistante au traitement pendant de longues périodes – jusqu’à 30 jours – dans leur vie quotidienne. Au-delà de l’épilepsie résistante au traitement, les applications potentielles sont beaucoup plus larges, comme l’aide aux personnes atteintes de la maladie de Parkinson, de troubles du mouvement, de troubles obsessionnels compulsifs, d’obésité, de dépression résistante au traitement, de douleurs chroniques à fort impact et d’autres troubles.

Alors que l’article de Nature Communications ne rapporte que des données d’enregistrement cérébral, le système a été développé pour à la fois enregistrer l’activité cérébrale et fournir une stimulation électrique à des emplacements précis. En fait, l’équipe s’appuie sur des travaux antérieurs – et en cours – qui utilisent cette approche de fabrication en film mince à grande échelle pour créer des interfaces cerveau-ordinateur qui enregistrent l’activité et délivrent une stimulation électrique thérapeutique à la surface du cortex cérébral.

Un processus de fabrication innovant

Les sondes sont monolithiques, c’est-à-dire que leurs composants individuels sont superposés les uns sur les autres pour créer une unité unique et cohérente, et ne nécessitent pas d’assemblage manuel de fils supplémentaires pour effectuer des enregistrements.

Le nouveau système d’enregistrement est extrêmement personnalisable et flexible à fabriquer, grâce à la technologie des films minces dérivée des industries des semi-conducteurs et des écrans d’affichage numérique. Ainsi, les sondes sont extrêmement compactes – 15 microns d’épaisseur, soit environ 1/5 de l’épaisseur d’un cheveu humain – minimisant les différences entre les propriétés matérielles de la sonde et du cerveau.

« Nous avons développé une méthode de fabrication entièrement différente pour les électrodes en film mince qui peuvent atteindre les structures profondes du cerveau – à une profondeur nécessaire pour des raisons thérapeutiques – permettant une production reproductible, personnalisable et à haut débit d’électrodes mais avec une haute résolution spatiale et un nombre de canaux élevé malgré un corps d’électrode plus mince. De plus, l’insertion de l’électrode est compatible avec les techniques chirurgicales existantes dans la salle d’opération, ce qui abaisse la barrière à leur adoption dans les procédures cliniques », a expliqué le professeur d’ingénierie électrique de l’UC San Diego, Shadi Dayeh, l’auteur correspondant du nouvel article.

Vers un système d’enregistrement cérébral sans fil de 30 jours

Le type de système développé par les chercheurs est nécessaire pour identifier les régions très spécifiques du cerveau qui déclenchent des crises causées par l’épilepsie résistante au traitement. Pour atteindre cet objectif, l’équipe travaille à la réalisation de leur vision d’un système de surveillance cérébrale avec des capteurs à la fois insérés profondément dans le cerveau et des capteurs à la surface du cerveau. Ces capteurs communiqueront sans fil avec un petit système informatique dans un casque sans fil, qu’une personne pourrait porter pendant de longues périodes. Ce casque fournirait l’énergie sans fil et l’infrastructure informatique nécessaire pour capter les signaux cérébraux enregistrés dans le cerveau d’une personne pendant 30 jours.

« Nous nous concentrons actuellement sur l’application de la technologie aux patients atteints d’épilepsie résistante au traitement. L’objectif ultime est de faire progresser le système et les technologies requises d’ici 2026 pour donner aux patients accès à un système sans fil qui leur permet de se déplacer librement dans l’environnement hospitalier et ensuite à domicile, sans être reliés à aucune machine, tandis que les structures cérébrales corticales et profondes sont surveillées en continu pendant jusqu’à 30 jours », a ajouté Shadi Dayeh.

Le système est appelé l’électro-encéphalographie stéréo-micro de l’UC San Diego (µSEEG). La technologie utilisée pour créer l’appareil est en mesure d’être fabriquée en grande quantité et à faible coût car elle est dérivée des technologies existantes pour fabriquer des écrans d’affichage numérique, une approche qui a été initialement créée par l’industrie des semi-conducteurs. Ce processus de fabrication unique permet également une série de caractéristiques uniques pour ces électrodes de profondeur.

En synthèse

La technologie développée par l’équipe de l’Université de Californie à San Diego représente une avancée significative dans le domaine de la neurologie. En utilisant des sondes ultra-minces et flexibles, les chercheurs sont capables d’enregistrer l’activité neuronale à des profondeurs et avec une résolution sans précédent. Cette technologie a le potentiel d’améliorer considérablement le traitement de divers troubles neurologiques, dont l’épilepsie résistante au traitement.

Par ailleurs, le processus de fabrication innovant permet une production à grande échelle et à faible coût, ce qui pourrait faciliter l’adoption de cette technologie dans les procédures cliniques.

Commentaires des auteurs sur l’article

Chercheur postdoctoral à l’IEBL, UC San Diego

Depuis 2015, le développement d’une électrode de profondeur robuste et de qualité humaine pouvant être utilisée dans la pratique clinique a été un long périple. Enfin, nous avons découvert une technique de fabrication innovante pour créer la sonde µSEEG, qui peut aider au diagnostic haute résolution et peu invasif de l’épilepsie, et potentiellement au traitement de l’épilepsie et d’autres indications, à l’avenir. Au-delà de l’épilepsie, la surveillance continue de l’activité cérébrale à une telle résolution pourrait nous permettre de trouver des biomarqueurs pour d’autres pathologies, y compris peut-être la dépression résistante aux traitements.

Keundong Lee (auteur)

Professeur de neurologie au Massachusetts

Notre laboratoire collabore avec le laboratoire Dayeh depuis près de dix ans pour faire aboutir cette technologie innovante. Vers 2018, nous avons testé la version laminaire du microSEEG de l’UC San Diego sur deux patients au MGH. Grâce aux commentaires itératifs que les Drs Sharona Ben-Haim, Ahmed Raslan, Mark Richardson et Ziv Williams et nous-mêmes avons fournis pour informer la fabrication de la sonde, nous sommes maintenant satisfaits du résultat final qui, selon nous, est beaucoup plus proche de l’utilisation clinique. Nous avons été ravis de tester la version la plus longue sur des primates non humains ici au MGH et d’enregistrer l’activité de neurones individuels à l’aide de ces dispositifs.

Angelique Paulk (co-auteur)

Titulaire d’un doctorat de l’IEBL, UC San Diego

Mes recherches sur cette électrode ont été à la fois passionnantes et stimulantes, car nous avons dû trouver de nouvelles façons de mettre en œuvre une électrode évolutive dont les principes de fonctionnement sont compatibles avec une utilisation clinique. Je suis très heureux de voir mes recherches de doctorat étendues aux électrodes longues afin de maximiser leur impact clinique et je suis fier de voir le potentiel de mes inventions de doctorat passer de la paillasse au chevet des patients.

Dr Yun Goo Ro (co-auteur)

Professeur de neurologie, Massachusetts General Hospital

Ces nouveaux systèmes d’électrodes sont vraiment passionnants. Ils sont conçus de manière à pouvoir être facilement utilisés en milieu clinique tout en offrant un niveau de résolution jamais atteint auparavant. Il ne fait aucun doute dans mon esprit que cela nous aidera à mieux comprendre à la fois le fonctionnement normal du cerveau et la pathologie, et que cela débouchera sur de nouveaux moyens d’aider les personnes souffrant d’épilepsie et d’une variété d’autres problèmes neurologiques.

Sydney Cash, MD

Prof. Chirurgie neurologique / faculté de médecine, UC San Diego

Cette nouvelle technologie d’électrode est passionnante pour un grand nombre de raisons, notamment sa capacité d’enregistrement à une résolution sans précédent. La capacité future de ce système à enregistrer sans fil à partir du cerveau des patients épileptiques soumis à une évaluation EEG intracrânienne a le potentiel de changer radicalement notre pratique clinique actuelle. Actuellement, les patients qui subissent ce type d’évaluation restent à l’hôpital pendant toute la durée de l’étude, où nous essayons de déterminer l’origine de leurs crises uniques pendant une période qui dure généralement de 7 à 21 jours. Pendant cette période, les patients sont attachés à leur lit d’hôpital par les cordons du système d’électrodes cliniques actuel. Cette nouvelle technologie pourrait nous permettre de renvoyer ces patients chez eux, les libérant ainsi d’un long séjour à l’hôpital et nous permettant d’enregistrer pendant de plus longues périodes et d’obtenir des informations plus solides pour nous aider à traiter leurs crises avec plus de précision et de résolution que ce qui était possible jusqu’à présent.

Sharona Ben-Haim

Professeur de radiologie, de neurosciences et de psychiatrie, UC San Diego

Avec les électrodes actuelles, nous n’entendons que les cris de la foule. Les nouvelles électrodes nous permettront de discerner les voix individuelles et nous pourrons commencer à apprendre leur langage, qui est le vocabulaire de base de la pensée.

Dr Eric Halgren

Professeur et VP de la chirurgie neurologique, Oregon Health and Sciences University

Les nouvelles électrodes de profondeur combinent deux caractéristiques uniques : la résolution beaucoup plus élevée des contacts d’enregistrement combinée à la capacité de stimulation, qui améliorerait notre capacité à comprendre – et potentiellement à modifier/traiter – les circuits neuronaux dans les parties du cerveau qui ne sont pas accessibles par les interfaces de surface ou pénétrantes et à une résolution beaucoup plus élevée que les électrodes de profondeur actuelles ; une stratégie qui débloque des compromis datant de plusieurs décennies, et la connectivité sans fil qui ouvre la porte à l’enregistrement d’humains dans un environnement sans restriction permettant l’échantillonnage de divers types de comportement. Cette nouvelle électrode est une interface neuronale qui peut à la fois lire et écrire dans le cerveau dans des environnements expérimentaux et cliniques, et dont les utilisations et applications potentielles sont illimitées.

Ahmed Raslan, MD

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qui rend cette technologie unique ?

La technologie est unique en raison de l’utilisation de sondes ultra-minces et flexibles qui peuvent enregistrer l’activité neuronale à des profondeurs sans précédent dans le cerveau.

Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?

Les applications potentielles sont vastes, allant de l’aide aux personnes atteintes de la maladie de Parkinson, de troubles du mouvement, de troubles obsessionnels compulsifs, d’obésité, de dépression résistante au traitement, de douleurs chroniques à fort impact et d’autres troubles.

Comment cette techno pourrait améliorer le traitement de l’épilepsie ?

La technologie pourrait permettre une surveillance sans fil des patients atteints d’épilepsie résistante au traitement pendant de longues périodes, ce qui pourrait aider à identifier les régions spécifiques du cerveau qui déclenchent des crises.

Qu’est-ce que le µSEEG ?

Le µSEEG est le système de surveillance cérébrale développé par l’équipe de l’Université de Californie à San Diego. Il utilise la technologie des sondes ultra-minces pour enregistrer l’activité cérébrale.

Qu’est-ce qui rend le processus de fabrication de cette technologie innovant ?

Le processus de fabrication est innovant car il permet une production à grande échelle et à faible coût. Il utilise la technologie des films minces dérivée des industries des semi-conducteurs et des écrans d’affichage numérique.

Références

Légende illustration : Ces sondes ultra-minces, flexibles et personnalisables sont fabriquées à partir de matériaux de qualité clinique. Photos : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering