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Les cyborgs ne sont plus de la science fiction. Le domaine des interfaces cerveau-machine (BMI), qui utilise des électrodes, souvent implantées dans le cerveau, pour traduire les informations neuronales en commandes capables de contrôler des systèmes externes tels qu'un ordinateur ou un bras robotisé, existe depuis un certain temps. La société de l'entrepreneur Elon Musk, Neuralink, vise à tester leurs systèmes IMC sur un patient humain à la fin de 2020.

À long terme, les dispositifs d'IMC peuvent aider à surveiller et à traiter les symptômes de troubles neurologiques et à contrôler les membres artificiels. Mais ils pourraient également fournir un plan pour la conception de l'intelligence artificielle et même permettre une communication directe de cerveau à cerveau. Cependant, pour l’instant, le principal défi consiste à mettre au point des IMC qui évitent d’endommager le tissu et les cellules du cerveau pendant l’implantation et l’opération.

Les IMC existent depuis plus d'une décennie et aident les personnes qui ont perdu leur capacité contrôler leurs membres, par exemple. Cependant, les implants conventionnels - souvent en silicium - sont beaucoup plus rigides que le tissu cérébral, ce qui conduit à enregistrements instables et dégâts au tissu cérébral environnant.

Ils peuvent également conduire à une réponse immunitaire dans lequel le cerveau rejette l'implant. En effet, notre cerveau humain est comme une forteresse gardée, et le système neuro-immunitaire - à l'instar des soldats dans cette forteresse fermée - protégera les neurones (cellules du cerveau) des intrus, tels que les agents pathogènes ou l'IMC.

Dispositifs flexibles

Pour éviter les dommages et les réponses immunitaires, les chercheurs se concentrent de plus en plus sur le développement du soi-disant «IMC flexible». Ceux-ci sont beaucoup plus doux que les implants de silicium et similaires au tissu cérébral réel.

Une tranche de dizaines de milliers d'électrodes flexibles, chacune beaucoup plus petite qu'un cheveu. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Par exemple, Neuralink a réalisé son premier projet «fils» flexibles et insertion - de minuscules sondes filaires beaucoup plus souples que les implants précédents - pour relier un cerveau humain directement à un ordinateur. Celles-ci ont été conçues pour minimiser le risque que la réponse immunitaire du cerveau rejette les électrodes après insertion au cours d'une opération du cerveau.

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Pendant ce temps, des chercheurs de Groupe de Lieber À l'université de Harvard, une sonde à mini-mailles a récemment été conçue qui ressemble tellement aux vrais neurones que le cerveau ne peut pas identifier les imposteurs. Celles-ci électronique bio-inspirée se composent d'électrodes de platine et de fils d'or ultra-minces encapsulés dans un polymère de taille et de flexibilité similaires aux corps de cellules neuronales et aux fibres nerveuses neurales.

Les recherches sur les rongeurs ont montré que ces sondes de type neurone ne provoque pas de réponse immunitaire lorsqu’il est inséré dans le cerveau. Ils sont capables de surveiller à la fois la fonction et la migration des neurones.

Se déplacer dans des cellules

La plupart des IMC utilisés aujourd'hui captent les signaux électriques du cerveau qui sont filtrés à l'extérieur des neurones. Si nous considérons le signal neuronal comme un son généré dans une pièce, l’enregistrement actuel consiste donc à écouter le son à l’extérieur de la pièce. Malheureusement, l'intensité du signal est fortement réduite par l'effet de filtrage de la paroi - les membranes des neurones.

Pour obtenir les lectures fonctionnelles les plus précises possibles afin de créer un meilleur contrôle des membres artificiels, par exemple, les dispositifs d’enregistrement électroniques doivent pouvoir accéder directement à l’intérieur des neurones. La méthode conventionnelle la plus largement utilisée pour cet enregistrement intracellulaire est l’électrode «patch clamp»: un tube de verre creux rempli d’une solution d’électrolyte et une électrode d’enregistrement amenée au contact de la membrane d’une cellule isolée. Mais une pointe de quelques micromètres de largeur provoque des dommages irréversibles aux cellules. De plus, il ne peut enregistrer que quelques cellules à la fois.

Pour résoudre ces problèmes, nous avons récemment développé un réseau de transistors en nanofils 3D en épingle à cheveux et l'a utilisé pour lire les activités électriques intracellulaires de plusieurs neurones. Fait important, nous avons pu le faire sans aucun dommage cellulaire identifiable. Nos nanofils sont extrêmement minces et flexibles, et se plient facilement dans la forme en épingle à cheveux - les transistors ne concernent que les nanomètres 15x15x50. Si un neurone avait la taille d'une pièce, ces transistors auraient à peu près la taille d'une serrure de porte.

Recouvertes d'une substance qui imite le toucher d'une membrane cellulaire, ces sondes nanofils ultra-flexibles et flexibles peuvent traverser les membranes cellulaires avec un minimum d'effort. Et ils peuvent enregistrer les discussions intracellulaires avec le même niveau de précision que leur plus gros concurrent: les électrodes patch-clamp.

Il est clair que ces avancées sont des étapes importantes vers des IMC précis et sûrs qui seront nécessaires si nous voulons accomplir des tâches complexes telles que la communication cerveau à cerveau.

Cela peut sembler un peu effrayant, mais au final, si nos professionnels de la santé veulent mieux comprendre notre corps, nous aider à traiter les maladies et vivre plus longtemps, il est important que nous continuions à repousser les limites de la science moderne pour leur donner le meilleur possible. des outils pour faire leur travail. Pour que cela soit possible, une intersection mini-invasive entre humains et machines est inévitable.

A propos de l'auteur

Yunlong Zhao, maître de conférences en stockage d'énergie et bioélectronique, Université de Surrey

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.