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Les scientifiques de l'EPFL ont développé une plate-forme électronique miniaturisée pour la stimulation et l'enregistrement des fibres nerveuses périphériques sur une puce. En modulant et en enregistrant rapidement l'activité nerveuse avec un rapport signal sur bruit élevé, la plate-forme ouvre la voie à l'utilisation de puces pour améliorer les conceptions neuroprothétiques.
Les neuroprothèses – des implants contenant des électrodes à contacts multiples qui peuvent remplacer certaines fonctionnalités nerveuses – peuvent faire des merveilles. Ils pourront peut-être restaurer le sens du toucher des personnes amputées, aider les personnes paralysées à marcher à nouveau en stimulant leur colonne vertébrale et à réduire au silence l'activité nerveuse des personnes souffrant de douleur chronique. Stimuler les nerfs au bon endroit et au bon moment est essentiel pour la mise en œuvre de traitements efficaces, mais reste un défi en raison de l'incapacité des implants à enregistrer l'activité neuronale avec précision. "Notre cerveau envoie et reçoit des millions d'impulsions nerveuses, mais nous n'implantons généralement qu'une douzaine d'électrodes chez des patients. Ce type d'interface n'a souvent pas la résolution nécessaire pour faire correspondre les schémas complexes d'échange d'informations dans le système nerveux d'un patient", dit Sandra Gribi, Ph.D. étudiant à la Chaire Fondation Bertarelli en technologie neuroprothétique.
Répliquer – et améliorer – le fonctionnement de la neuroprothèse
Les scientifiques du laboratoire dirigé par la Dre Stéphanie Lacour, professeure à l'Ecole d'ingénieurs de l'EPFL, ont mis au point une plateforme «nerf sur puce» capable de stimuler et d'enregistrer à partir de fibres nerveuses explantées, comme le ferait un neuroprothétique implanté. Leur plate-forme contient des microcanaux contenant des électrodes et des fibres nerveuses explantées qui reproduisent fidèlement l’architecture, la maturité et le fonctionnement de tissus in vivo.
Les scientifiques ont testé leur plateforme sur des fibres nerveuses explantées provenant de la moelle épinière de rats, en expérimentant diverses stratégies pour stimuler et inhiber l'activité neurale. "Les tests in vitro sont généralement effectués sur des cultures de neurones dans des boîtes. Mais ces cultures ne reproduisent pas la diversité des neurones, ni leurs différents types et diamètres, que vous trouverez in vivo. Les propriétés des cellules nerveuses résultantes sont modifiées. , les réseaux de microélectrodes extracellulaires que certains scientifiques utilisent ne peuvent généralement pas enregistrer toute l’activité d’une seule cellule nerveuse dans une culture ", déclare Gribi.
La plate-forme Nerf-sur-une-puce développée à l'EPFL peut être fabriquée en salle blanche en deux jours et est capable d'enregistrer rapidement des centaines de réponses nerveuses avec un rapport signal / bruit élevé. Cependant, ce qui le distingue vraiment, c'est qu'il peut enregistrer l'activité de cellules nerveuses individuelles. La recherche a été publiée dans Nature Communications.
Inhiber l'activité de neurones spécifiques
Les scientifiques ont utilisé leur plate-forme pour tester une méthode photothermique d'inhibition de l'activité neuronale. "L'inhibition neuronale pourrait être un moyen de traiter la douleur chronique, comme la douleur du membre fantôme qui apparaît après l'amputation d'un bras ou de la jambe, ou la douleur neuropathique", a déclaré Lacour.
Les scientifiques ont déposé un polymère semi-conducteur photothermique, appelé P3HT: PCBM, sur certaines des électrodes de la puce. "Le polymère s'échauffe lorsqu'il est soumis à la lumière. Grâce à la sensibilité de nos électrodes, nous avons pu mesurer une différence d'activité entre les différentes fibres nerveuses explantées. Plus précisément, l'activité des fibres les plus minces a été bloquée de manière dominante", déclare Gribi. . Et ce sont précisément ces fibres minces qui sont les nocicepteurs – les neurones sensoriels qui causent la douleur. La prochaine étape consistera à utiliser le polymère dans un implant placé autour d'un nerf pour étudier l'effet inhibiteur in vivo.
Distinguer les fibres nerveuses sensorielles et motrices
Les scientifiques ont également utilisé leur plate-forme pour améliorer la géométrie et la position des électrodes d'enregistrement, afin de développer un implant capable de régénérer les nerfs périphériques. En badysant les données neuronales mesurées selon un algorithme robuste, ils seront en mesure de calculer la vitesse et la direction de la propagation des impulsions nerveuses – et donc de déterminer si une impulsion donnée provient d'un nerf sensoriel ou moteur. "Cela permettra aux ingénieurs de développer des implants sélectifs bidirectionnels permettant un contrôle plus naturel des membres artificiels tels que les mains prothétiques", a déclaré Lacour.
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