La bioélectronique annonce la montée du cyborg
Robert F. Service
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Science 08 déc. 2017 :
Vol. 358, numéro 6368, p. 1233-1234
DOI : 10.1126/science.358.6368.1233
Les électrodes en forme de maille, injectées dans le tissu cérébral, peuvent fonctionner pendant des mois.
Les fils qui émergent de la tête des petites souris noires - la souche C57BL6 - sont une pointe de bas. Si vous êtes un amateur de science-fiction, vous savez que c'est ainsi que les cyborgs commencent. Charles Lieber, chimiste à l'Université Harvard, et ses collègues ont injecté au cerveau des souris de minuscules sondes électroniques en forme de maille - flexibles et invisibles pour le système immunitaire - qui peuvent écouter les neurones pendant des mois à la fois. Les électrodes standard ne peuvent pas égaler cette longévité, ni un autre exploit que Lieber a signalé lors d'une réunion de la Materials Research Society ici à Boston la semaine dernière : enregistrer simultanément le bavardage neuronal dans l'œil aux côtés de deux autres centres de traitement visuel dans le cerveau.
Le résultat de Lieber, ainsi que d'autres progrès exposés à la réunion, annonce une nouvelle ère en bioélectronique, où l'électronique intégrée de manière transparente dans le tissu nerveux pourrait conduire à des traitements innovants chez l'homme pour tout, de la cécité et de la paralysie aux maladies cérébrales telles que la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer. Pour l'instant, les chercheurs travaillent principalement chez les animaux et ne font que l'écoute de l'activité neuronale pour comprendre le cerveau. Mais comme les électrodes peuvent transporter des entrées comme des sorties, le jour où Lieber ne se contentera pas de surveiller ses souris, mais aussi de les contrôler, n'est pas loin. La frontière entre les organismes vivants et le monde extérieur se dissout, dit David Martin, expert en bioélectronique à l'Université du Delaware à Newark. « Vous devez vous demander : où finit la vie et où commence l'ingénierie ? »
Les chercheurs ont mesuré l'activité neuronale dans trois régions de traitement visuel dans le cerveau de souris.
Depuis des décennies, les neuroscientifiques ont inséré des sondes métalliques minces dans le cerveau de souris et d'autres animaux pour étudier le fonctionnement de base des circuits neuronaux, et ces électrodes deviennent de plus en plus capables. Le mois dernier, par exemple, une équipe internationale de chercheurs a signalé la création de sondes métalliques ultraminces capables de suivre simultanément l'activité neuronale à partir de centaines de points différents le long de chaque sonde. Les cliniciens utilisent déjà des sondes métalliques connexes dans une thérapie appelée stimulation cérébrale profonde, dans laquelle les neurones sont déclenchés pour amortir les tremblements musculaires associés à la maladie de Parkinson et à d'autres maladies.
Mais même les lances métalliques minces peuvent endommager le tissu nerveux lorsqu'elles sont insérées dans le cerveau, dit Lieber. Et dans les semaines ou les mois suivants, les cellules immunitaires attaquent généralement ces corps étrangers rigides, créant une réponse inflammatoire et un tissu cicatriciel qui isole les sondes et les rend moins efficaces au fil du temps.
Lieber et d'autres sont donc en train de concevoir des alternatives bio-friendly. Son groupe, par exemple, a conçu des électrodes en mailles faites de fils d'or ultrafins enveloppés dans des polymères organiques bioresponsables - des plastiques qui ont la souplesse des cellules. Les électrodes résultantes sont suffisamment flexibles pour être suspendues dans un liquide aqueux, aspirées dans une seringue et injectées profondément dans le tissu cérébral animal. Là, le maillage enveloppe les neurones et peut lire ou stimuler l'activité de cellules individuelles ou de petits groupes cellulaires jusqu'à un an chez la souris.
Lors de la réunion, Lieber et ses collègues ont signalé avoir injecté des électrodes à mailles à 16 canaux sur la rétine d'une souris et dans deux autres centres de traitement visuel : le noyau géniculé latéral et le cortex visuel primaire. L'équipe a ensuite surveillé le déclenchement des neurones dans les trois régions lorsque l'animal a vu une série d'images en mouvement. C'est la première fois que les neuroscientifiques sont en mesure de suivre les trois niveaux de circuits visuels au travail chez les animaux vivants, dit Lieber. « C'est assez révolutionnaire », explique Ivan Minev, expert en bioélectronique à l'Université technique de Dresde en Allemagne, qui a assisté à la conférence de Lieber. « C'est une plate-forme qui peut être déployée dans de nombreux endroits. »
Ensuite, Lieber dit qu'il espère utiliser les mailles pour étudier l'apprentissage, la formation de la mémoire et la perte de mémoire associée au vieillissement et aux maladies - d'abord chez les animaux, et finalement chez l'homme. Comme première étape vers l'évaluation de l'innocuité des mailles, il a demandé à un comité d'examen institutionnel l'autorisation de les implanter dans le cerveau de patients atteints d'épilepsie sévère qui subiront plus tard une chirurgie pour enlever ces parties de leur cerveau afin de traiter la maladie.
Les mailles de Lieber pourraient n'être que le début. Alors que ses électrodes enregistrent l'activité de tous les neurones qui se trouvent à proximité, le chimiste Zhenan Bao et le neuroscientifique Karl Deisseroth de l'Université Stanford à Palo Alto, en Californie, veulent cibler des types spécifiques de neurones, parmi les dizaines présents dans le cerveau. Lors de la réunion, Bao a signalé qu'elle et ses collègues avaient génétiquement modifié des cellules nerveuses spécifiques chez la souris pour exprimer une protéine appelée peroxydase à la surface externe de leurs membranes cellulaires. Après avoir sacrifié les animaux et isolé des tranches de cerveau en culture, les chercheurs ont ajouté les éléments chimiques d'un polymère conducteur électrique au fluide de culture. La peroxydase a déclenché sélectivement la formation du polymère, laissant les cellules nerveuses artificielles enveloppées dans du polymère tandis que d'autres types de neurones sont restés nus.
Lors d'une conférence à la réunion, Jia Liu, un postdoctorant du groupe de Bao, a déclaré qu'il travaillait maintenant à connecter ces cellules enveloppées de polymères à des électrodes en mailles, ce qui pourrait permettre aux cellules de communiquer avec le monde extérieur. « C'est l'avenir », déclare Bozhi Tian, expert en bioélectronique à l'Université de Chicago dans l'Illinois. La stratégie de Bao n'est pas susceptible de se traduire pour les humains de sitôt, étant donné sa dépendance à l'égard de la croissance de neurones génétiquement modifiés. Mais au moins pour les souris, cela rapproche l'ère du cyborg.
