Découvrez L'Art De L'Édition
L'ordinateur

Le support flexible permet aux réseaux d’aiguilles à micro-échelle de se conformer aux contours du cerveau, améliorant l’enregistrement cérébral à haute résolution

De minuscules aimants pourraient détenir le secret des nouveaux ordinateurs quantiques

Des chercheurs en ingénierie ont inventé une interface cerveau-ordinateur avancée avec un dos flexible et moulable et des micro-aiguilles pénétrantes. L’ajout d’un support flexible à ce type d’interface cerveau-ordinateur permet au dispositif de se conformer plus uniformément à la surface incurvée complexe du cerveau et de répartir plus uniformément les micro-aiguilles qui percent le cortex. Les micro-aiguilles, qui sont 10 fois plus fines qu’un cheveu humain, dépassent du support flexible, pénètrent à la surface du tissu cérébral sans percer les veinules superficielles et enregistrent uniformément les signaux des cellules nerveuses voisines sur une large zone du cortex.

Cette nouvelle interface cerveau-ordinateur a jusqu’à présent été testée chez les rongeurs. Les détails ont été publiés en ligne le 25 février dans la revue Advanced Functional Materials. Ce travail est dirigé par une équipe du laboratoire du professeur de génie électrique Shadi Dayeh à l’Université de Californie à San Diego, ainsi que des chercheurs de l’Université de Boston dirigés par le professeur de génie biomédical Anna Devor.

Cette nouvelle interface cerveau-ordinateur est à égalité avec le « Utah Array », qui est l’étalon-or existant pour les interfaces cerveau-ordinateur à pénétration de micro-aiguilles. Il a été démontré que l’Utah Array aide les victimes d’AVC et les personnes atteintes de lésions de la moelle épinière. Les personnes avec des Utah Arrays implantés peuvent utiliser leurs pensées pour contrôler les membres robotiques et d’autres appareils pour restaurer certaines activités quotidiennes, comme les objets en mouvement.

Le dos de la nouvelle interface cerveau-ordinateur est flexible, adaptable et reconfigurable, tandis que l’Utah Array a un dos dur et inflexible. La flexibilité et l’adaptabilité du nouveau support de réseau de micro-aiguilles favorisent un contact plus étroit entre le cerveau et les électrodes, permettant un enregistrement meilleur et plus cohérent des signaux d’activité cérébrale. Travaillant avec des rongeurs comme espèce modèle, les chercheurs ont montré des enregistrements à large bande stables qui produisent des signaux robustes pendant toute la durée de l’implantation, qui a duré 196 jours.

De plus, la façon dont les interfaces cerveau-ordinateur à dos souple sont fabriquées permet des surfaces de détection plus grandes, ce qui signifie qu’une zone beaucoup plus grande de la surface du cerveau peut être surveillée simultanément. Dans le Matériaux fonctionnels avancés Dans l’article, les chercheurs montrent qu’un réseau de micro-aiguilles pénétrantes avec 1 024 micro-aiguilles a enregistré avec succès des signaux déclenchés par des stimuli précis provenant du cerveau de rats. Cela représente dix fois plus de micro-aiguilles et dix fois la zone de couverture du cerveau, par rapport aux technologies actuelles.

Média plus fin et plus transparent

Ces interfaces cerveau-ordinateur à dos souple sont plus fines et plus légères que les dos en verre traditionnels de ce type d’interface cerveau-ordinateur. Les chercheurs notent dans leur article sur les matériaux fonctionnels avancés que les dos légers et flexibles peuvent réduire l’irritation des tissus cérébraux qui entrent en contact avec les réseaux de capteurs.

Les dos flexibles sont également transparents. Dans le nouvel article, les chercheurs démontrent que cette transparence peut être exploitée pour mener des recherches neuroscientifiques fondamentales impliquant des modèles animaux qui ne seraient pas possibles autrement. L’équipe, par exemple, a démontré l’enregistrement électrique simultané d’ensembles de micro-aiguilles pénétrantes, ainsi que la photostimulation optogénétique.

Fabrication lithographique recto-verso

La flexibilité, les empreintes de matrice de micro-aiguilles plus grandes, la reconfigurabilité et la transparence des nouveaux dos de capteurs cérébraux sont dues à l’approche de lithographie double face utilisée par les chercheurs.

Conceptuellement, en commençant par une plaquette de silicium rigide, le processus de fabrication de l’équipe leur permet de construire des circuits et des dispositifs microscopiques des deux côtés de la plaquette de silicium rigide. D’une part, un film transparent et souple est rapporté sur la tranche de silicium. Dans ce film, une bicouche de traces de titane et d’or est incrustée de sorte que les traces s’alignent avec l’endroit où les aiguilles seront faites de l’autre côté de la plaquette de silicium.

En travaillant de l’autre côté, après l’ajout du film flexible, tout le silicium est gravé à l’exception des fines colonnes de silicium pointues autoportantes. Ces colonnes pointues de silicium sont, en fait, les micro-aiguilles, et leurs bases s’alignent avec des traces de titane et d’or dans la couche flexible qui reste après que le silicium a été gravé. Ces traces de titane et d’or sont modélisées par des techniques de microfabrication standard et évolutives, permettant une production évolutive avec un minimum de travail manuel. Le processus de fabrication offre le potentiel d’une conception de réseau flexible et d’une évolutivité à des dizaines de milliers de micro-aiguilles.

Vers des systèmes en boucle fermée

À l’avenir, des ensembles de micro-aiguilles pénétrantes avec une large couverture spatiale seront nécessaires pour améliorer les interfaces cerveau-machine au point qu’elles peuvent être utilisées dans des « systèmes en boucle fermée » qui peuvent aider les personnes à mobilité très réduite. Par exemple, ce type de système en boucle fermée pourrait offrir à une personne utilisant une main robotique un retour tactique en temps réel sur les objets saisis par la main robotique.

Les capteurs tactiles de la main robotique détecteraient la dureté, la texture et le poids d’un objet. Ces informations enregistrées par les capteurs seraient traduites en modèles de stimulation électrique qui voyagent à travers des fils à l’extérieur du corps jusqu’à l’interface cerveau-ordinateur avec des micro-aiguilles pénétrantes. Ces signaux électriques fourniraient des informations directement au cerveau de la personne sur la dureté, la texture et le poids de l’objet. À son tour, la personne ajusterait sa force de préhension en fonction des informations détectées directement à partir du bras robotique.

Ce n’est qu’un exemple du type de système en boucle fermée qui pourrait être possible une fois que les réseaux de micro-aiguilles pénétrantes peuvent être agrandis pour accueillir le cerveau et coordonner l’activité via les centres de « commande » et de « rétroaction » du cerveau.

Auparavant, le laboratoire de Dayeh avait inventé et démontré les types de capteurs tactiles qui seraient nécessaires pour ce type d’application, comme le montre cette vidéo.

Route vers la commercialisation

Les procédés avancés de microfabrication lithographique double face décrits dans ce document sont brevetés (US 10856764). Dayeh a cofondé Precision Neurotek Inc. pour appliquer des technologies innovantes dans son laboratoire afin de faire progresser la pratique clinique et de faire progresser les domaines des neurosciences et de la neurophysiologie.