Des scientifiques découvrent comment "pirater le cerveau" sans recourir à la chirurgie

Une foule de sciences légitimes - ainsi que beaucoup de science-fiction - aborde les moyens de «pirater le cerveau». Ce que cela signifie vraiment, la plupart du temps - même dans les exemples fictifs - implique une intervention chirurgicale, ouvrant le crâne pour implanter physiquement des fils ou des dispositifs dans le cerveau.

Mais c’est difficile, dangereux et potentiellement mortel. Il serait plus intelligent de travailler avec le cerveau sans avoir à ouvrir le crâne des patients. Les troubles neurologiques sont fréquents et touchent plus d’un milliard de personnes dans le monde, de tout âge, sexe, niveau d’éducation et niveau de revenu. Les recherches de mon équipe d'ingénieurs neuronaux, dans le cadre d'un effort plus large dans la discipline de la bio-ingénierie, visent à comprendre et à atténuer divers dysfonctionnements neurologiques, tels que la sclérose en plaques, les troubles du spectre autistique et la maladie d'Alzheimer.

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Identifier et influencer l'activité cérébrale à l'extérieur du crâne pourrait éventuellement permettre aux médecins de diagnostiquer et de traiter un large éventail de maladies débilitantes du système nerveux et de troubles mentaux sans chirurgie invasive.

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Connexions sans fil dans le cerveau

Mon groupe pense que nous sommes les premiers à avoir découvert une nouvelle façon de communiquer entre cellules nerveuses. Les nerfs sont bien connus pour se connecter via des liaisons physiques - ou ce que l'on pourrait appeler des connexions "câblées" - dans lesquelles les axones d'une cellule nerveuse envoient des signaux électriques et chimiques aux dendrites d'une cellule voisine.

Nos recherches ont montré que les cellules nerveuses communiquent également sans fil, en utilisant l'activité câblée pour créer leurs propres champs électriques, et en détectant les champs créés par les cellules voisines. Cela crée la possibilité de nombreuses autres voies neuronales et peut aider à expliquer pourquoi différentes parties du cerveau se connectent si rapidement lors de l'exécution de tâches compliquées.

Nous avons été en mesure de surveiller ces champs électriques de l'extérieur du crâne, en écoutant efficacement les communications nerveuses. Nous espérons que cela nous aidera à trouver des connexions alternatives saines pour les nerfs endommagés par la sclérose en plaques, ou à rééquilibrer l'activité nerveuse due au trouble du spectre de l'autisme, ou à inciter les neurones à se déclencher ensemble selon des schémas spécifiques et à restaurer des souvenirs perdus à la suite de la maladie d'Alzheimer..

Plus précisément, nous avons constaté que lorsqu'une fibre nerveuse isolée ou myélinisée dans le cerveau est active et que des signaux le long de sa longueur sont appelés potentiels d'action, des régions spéciales sur sa longueur génèrent un très petit champ électrique. Les régions cellulaires où cela se produit, appelées nœuds de Ranvier, agissent comme de petites antennes pouvant transmettre et recevoir des signaux électriques.

Toute perturbation des deux structures hautement spécialisées - la gaine de myéline ou le nœud de Ranvier - entraîne non seulement un dysfonctionnement neurologique, mais également le champ électrique environnant.

Ecouter les nerfs

Le défi technologique consiste à cibler avec précision des parties spécifiques du cerveau. L'appareil doit recevoir des signaux de zones situées à peu près au diamètre d'un cheveu humain, à plusieurs centimètres de profondeur dans le cerveau.

Une solution consiste à placer un petit nombre de patchs d'antenne flexibles sur le crâne pour créer ce que nous appelons une «lentille cérébrale». La comparaison des lectures de plusieurs patchs nous permet de cibler électroniquement les nerfs pour qu'ils écoutent. Nous concevons et expérimentons des métamatériaux, des matériaux conçus au niveau moléculaire, qui sont particulièrement efficaces pour servir d'antennes de haute précision pouvant être réglées pour recevoir des signaux provenant d'emplacements très spécifiques.

Pas de douleur, mais potentiellement un grand gain

En écoutant les communications sans fil entre les nerfs, nous pouvons identifier les zones du cerveau où les champs électriques indiquent qu'il y a des problèmes. Les caractéristiques détaillées de l’activité d’un nerf - ou son manque d’activité - peuvent fournir des indices sur le problème spécifique qui se pose dans le cerveau. Ces résultats pourraient aider à diagnostiquer des conditions médicales potentielles beaucoup plus facilement que les méthodes actuelles.

Regardez, par exemple, le cas réel d'une patiente, une femme de 38 ans que nous appellerons «Bianca», à qui on a diagnostiqué un cas de sclérose en plaques, une maladie dégénérative du cerveau et de la moelle épinière qui n'a pas de traitement connu.. Le système immunitaire des patients atteints de sclérose en plaques endommage la gaine de myéline située entre les nœuds de Ranvier, ce qui entraîne des problèmes de communication entre le cerveau et le reste du corps. Ces dommages modifient radicalement l'activité des nerfs touchés.

Pour surveiller l'évolution de sa maladie, Bianca a eu des robinets rachidiens afin de déterminer si son liquide céphalorachidien contenait des taux élevés d'anticorps particuliers associés à la SP. Elle a également passé des examens par IRM pour révéler les zones de son cerveau où la myéline est endommagée, et devra faire face à des tests supplémentaires pour déterminer à quelle vitesse l'information circule dans son système nerveux.

L’utilisation d’un système de lentilles cérébrales permettrait aux médecins de surveiller le cerveau de Bianca sans avoir à subir d’éprouvées douleurs à la colonne vertébrale ni à des IRM et des tomodensitogrammes inconfortables et fastidieux. Cela permettra peut-être un jour à Bianca de surveiller son propre cerveau et d’envoyer les données à son spécialiste pour évaluation.

Traitement thérapeutique sans médicaments et chirurgie

De plus, nous espérons que notre approche pourra déboucher sur de nouveaux traitements plus faciles pour les patients. À l'heure actuelle, Bianca prend plusieurs médicaments qui présentent des risques importants pour la santé et lui donnent souvent la nausée et la fatigue. Elle fait partie des nombreuses personnes qui souhaitent essayer une option thérapeutique différente.

Ce travail prévoit d'aller au-delà de l'identification des régions de son cerveau où les champs électriques indiquent des conditions malsaines. Inspirés par la gestion de réseau informatique et les réseaux numériques avancés, qui acheminent les signaux autour de zones endommagées ou interrompues, nous développons une méthode permettant à notre système de patch pour le cuir chevelu d'envoyer également des messages au cerveau.

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Chaque fibre nerveuse endommagée fait généralement partie des milliers de fibres entassées dans un faisceau de fibres nerveuses où les fibres nerveuses voisines sont généralement en bonne santé. Notre appareil pourrait aider à identifier les sites endommagés par la myéline et à suivre ces fibres nerveuses avant le point de dommage afin de capter leurs signaux non perturbés. Nous utiliserions ensuite la lentille cérébrale pour transmettre des champs électriques complémentaires dans le cerveau, envoyant ces signaux sains vers les zones entourant les dommages causés par la myéline, afin d’encourager les fibres nerveuses voisines à transmettre les messages que la fibre endommagée ne peut pas transmettre.

Jusqu'à présent, nous avons pu simuler cette approche dans un environnement de super-informatique où les paramètres nerveux cérébraux ont été fournis par des laboratoires de recherche clinique. Dans les mois à venir, nous allons construire et tester un prototype de lentille cérébrale. Écouter et communiquer avec le cerveau offre un nouvel ensemble fascinant de possibilités de diagnostic médical et de traitement sans chirurgie.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Salvatore Domenic Morgera. Lisez l'article original ici.