Interfaces optiques Power Nerv-Operation Prosthetics | Recherche & Technologie | novembre 2022

SYDNEY, 3 novembre 2022 – Des ingénieurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW Sydney) ont démontré une approche pour mesurer l’activité neuronale à l’aide de la lumière. Les capteurs optiques de l’équipe, appelés optrodes, ont obtenu des registres précis des impulsions neuronales voyageant le long d’une fibre nerveuse chez un animal vivant.

Selon l’équipe, les optrodes pourraient fournir une interface plus complète entre les nerfs et les prothèses neurales que les électrodes traditionnelles.

« Le véritable avantage de notre approche est que nous pouvons rendre cette connexion très dense dans le domaine optique et nous ne payons pas le prix que vous devez payer dans le domaine électrique », a déclaré le professeur François Ladouceur.

Selon Ladouceur, la technologie optrode résout plusieurs problèmes que la technologie des électrodes ne résout pas. « Il est très difficile de réduire la taille de l’interface à l’aide d’électrodes conventionnelles afin que des milliers d’entre elles puissent se connecter à des milliers de nerfs dans une très petite zone », a-t-il déclaré.

Les chercheurs ont développé des optrodes passives sans fluorophore basées sur la propriété de biréfringence des cristaux liquides fonctionnant à l’échelle microscopique. Ils ont montré que les optrodes avaient la linéarité, la réactivité relative et la bande passante nécessaires pour transduire les signaux électrophysiologiques dans le domaine optique.

Pour démontrer les capacités de conversion de l’optrode, les chercheurs ont connecté une optrode au nerf sciatique d’un lapin anesthésié. Ils ont stimulé le nerf avec un petit courant et enregistré les signaux neuronaux avec l’optrode. Puis ils ont fait de même en utilisant une électrode conventionnelle et un bioamplificateur.

« Nous avons démontré que les réponses nerveuses étaient essentiellement les mêmes », a déclaré le professeur Nigel Lovell. « Il y a encore plus de bruit dans l’optique, mais ce n’est pas surprenant étant donné qu’il s’agit d’une toute nouvelle technologie, et nous pouvons travailler là-dessus. Mais finalement, nous pourrions identifier les mêmes caractéristiques en mesurant électriquement ou optiquement.

Les chercheurs ont également démontré le potentiel de miniaturisation de la technologie optrode. L’utilisation de cristaux liquides pour convertir les signaux bioélectriques dans le domaine optique pourrait permettre de déployer des techniques de télécommunications optiques à haut débit dans des interfaces neurales et cardiaques ultraminiatures.

La technologie Optrode a également le potentiel de permettre des interfaces cerveau-machine pour aider les personnes paralysées. A plus grande échelle, ces interfaces visent à intégrer l’intelligence artificielle dans les activités du cerveau humain. Maintenant que l’équipe a démontré que les optrodes peuvent enregistrer les impulsions nerveuses, la prochaine étape consistera à augmenter le nombre d’optrodes pour gérer des réseaux complexes de tissus nerveux et excitables – par exemple, les 5 000 à 10 000 connexions neuronales nécessaires aux mouvements de la main.

Les chercheurs pensent qu’une main prothétique à commande optique pourrait potentiellement fonctionner de la même manière qu’une main biologique.

Pour atteindre cet objectif, les optrodes doivent être bidirectionnelles, c’est-à-dire capables de recevoir des signaux du cerveau et de renvoyer des informations au cerveau. L’équipe prévoit de publier prochainement des recherches qui montreront que la technologie optrode peut à la fois lire et écrire des signaux neuronaux.

Les dispositifs in vivo qui utilisent des électrodes filaires conventionnelles pour capturer l’activité neuronale sont actuellement limités à environ 100 électrodes. Avant que la technologie des électrodes ne soit capable de supporter des milliers, voire des millions, de connexions entre le cerveau et un appareil, elle a de nombreux défis à surmonter.

Lorsque des milliers d’électrons sont rétrécis et rapprochés pour se connecter aux tissus biologiques, la résistance individuelle des électrons augmente, dégradant le rapport signal sur bruit et rendant le signal difficile à lire.

Un autre problème est la diaphonie. « Lorsque vous rétrécissez ces électrodes et que vous les rapprochez, elles commencent à se parler ou à s’affecter en raison de leur proximité », a déclaré Ladouceur.

« Nous n’avons pas ces problèmes dans le domaine optique », a-t-il déclaré. « Dans nos appareils, s’il y a une activité neuronale, sa présence influence l’orientation du cristal liquide, que nous pouvons détecter et quantifier en éclairant dessus. Cela signifie que nous n’extrayons pas le courant des tissus biologiques comme le font les fils-électrodes. Et ainsi, la biodétection peut être effectuée beaucoup plus efficacement.

La recherche a été publiée dans le Journal d’ingénierie neuronale (www.iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/ac8ed6).