Le support flexible permet aux réseaux d’aiguilles à micro-échelle de se conformer aux contours du cerveau, ce qui améliore l’enregistrement cérébral à haute résolution.
Des chercheurs en ingénierie ont inventé une interface cerveau-ordinateur avancée avec un support flexible et moulable et des micro-aiguilles pénétrantes. L’ajout d’un support flexible à ce type d’interface cerveau-ordinateur permet à l’appareil 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 que les cheveux humains, dépassent du support flexible, pénètrent la surface du tissu cérébral sans percer les veinules de surface et enregistrent uniformément les signaux des cellules nerveuses voisines sur une large zone du cortex.
Représentation artistique du support flexible, conformable et transparent de la nouvelle interface cerveau-ordinateur avec des micro-aiguilles pénétrantes développées par une équipe dirigée par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego dans le laboratoire du professeur de génie électrique Shadi Dayeh. La petite illustration en bas à gauche montre la technologie actuellement utilisée à titre expérimental appelée Utah Arrays. Crédit image : UCSD
Cette nouvelle interface cerveau-ordinateur a jusqu’à présent été testée chez les rongeurs. Les détails ont été publiés en ligne 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, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Boston dirigés par le professeur de génie biomédical Anna Devor.
Cette nouvelle interface cerveau-ordinateur est à égalité et surpasse le « Utah Array », qui est l’étalon-or existant pour les interfaces cerveau-ordinateur avec des micro-aiguilles pénétrantes. 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 des membres robotiques et d’autres appareils afin de restaurer certaines activités quotidiennes telles que le déplacement d’objets.
Le support de la nouvelle interface cerveau-ordinateur est flexible, conformable et reconfigurable, tandis que l’Utah Array a un support dur et inflexible. La flexibilité et la conformabilité du support du nouveau réseau de micro-aiguilles favorisent un contact plus étroit entre le cerveau et les électrodes, ce qui permet un enregistrement meilleur et plus uniforme des signaux d’activité cérébrale. Travaillant avec des rongeurs comme espèces modèles, les chercheurs ont démontré des enregistrements à large bande stables produisant 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 papier, les chercheurs démontrent 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 surface de couverture cérébrale, par rapport aux technologies actuelles.
Supports plus fins et transparents
Ces interfaces cerveau-ordinateur à dos souple sont plus fines et plus légères que les supports en verre traditionnels de ces types d’interfaces cerveau-ordinateur. Les chercheurs notent dans leur article sur les matériaux fonctionnels avancés que des supports légers et flexibles peuvent réduire l’irritation du tissu cérébral qui entre en contact avec les réseaux de capteurs.
Les supports flexibles sont également transparents. Dans le nouvel article, les chercheurs démontrent que cette transparence peut être mise à profit pour effectuer des recherches fondamentales en neurosciences impliquant des modèles animaux qui ne seraient pas possibles autrement. L’équipe, par exemple, a démontré l’enregistrement électrique simultané à partir de réseaux 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 supports des nouveaux capteurs cérébraux sont toutes dues à l’approche de lithographie double face utilisée par les chercheurs.
Conceptuellement, à partir d’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’un côté, un film flexible et transparent est ajouté au-dessus de la plaquette de silicium. Dans ce film, une bicouche de traces de titane et d’or est intégrée de sorte que les traces s’alignent avec l’endroit où les aiguilles seront fabriquées 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 colonnes de silicium autoportantes, fines et pointues. Ces colonnes pointues de silicium sont, en fait, les micro-aiguilles, et leurs bases s’alignent avec les traces de titane-or dans la couche flexible qui reste après que le silicium a été gravé. Ces traces de titane-or sont modelées via des techniques de microfabrication standard et évolutives, permettant une production évolutive avec un minimum de travail manuel. Le processus de fabrication offre la possibilité 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 réseaux de micro-aiguilles pénétrantes avec une large couverture spatiale seront nécessaires pour améliorer les interfaces cerveau-machine au point qu’ils peuvent être utilisés dans des «systèmes en boucle fermée» qui peuvent aider les personnes à mobilité très limitée. 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 se conformer au cerveau et coordonner l’activité entre les centres de « commande » et de « rétroaction » du cerveau.
Auparavant, le laboratoire Dayeh avait inventé et démontré les types de capteurs tactiles qui seraient nécessaires pour ce type d’application, comme le montre cette vidéo.
Voie vers la commercialisation
Les procédés avancés de microfabrication lithographique double face décrits dans cet article sont brevetés (US 10856764). Dayeh a cofondé Precision Neurotek Inc. pour traduire les technologies innovées dans son laboratoire afin de faire progresser l’état de l’art dans la pratique clinique et de faire progresser les domaines des neurosciences et de la neurophysiologie.
La source: UCSD
