La technologie des sondes à l’échelle nanométrique explore le cerveau profond
Lorsqu’il s’agit d’enregistrer et de stimuler l’activité cérébrale, les scientifiques peuvent s’appuyer sur un outil redoutable : la lumière. Une équipe de recherche internationale, coordonnée par l’IIT- Istituto Italiano di Tecnologia (Institut italien de technologie), a développé des modulateurs de lumière nanométriques qui, fabriqués sur une fibre optique micrométrique, rendent la fibre capable d’étudier le tissu neuronal dans les régions profondes du cerveau. La nouvelle approche, publiée dans Matériaux optiques avancés et présenté sur la couverture de la revue, jette les bases d’un type innovant de sonde neurale peu invasive qui peut être utilisée pour étudier le système nerveux central. En perspective, les nanomodulateurs seront utilisés pour étudier des maladies cérébrales spécifiques, notamment les tumeurs cérébrales et l’épilepsie.
L’étude a été réalisée par l’IIT en collaboration avec l’Université du Salento (Italie), le Politecnico de Bari (Italie), le Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC, Espagne) et le Centro National de Investigaciones Oncologicas (CNIO, Espagne).
Le premier auteur de l’étude est Filippo Pisano, chercheur au Centre de nanotechnologies biomoléculaires (CBN) de l’IIT à Lecce, en Italie, coordonné par Marco Grande du Politecnico di Bari et les chercheurs principaux du CBN Ferruccio Pisanello et Massimo De Vittorio.
En Italie, l’équipe interdisciplinaire visait à obtenir des structures micrométriques capables d’étudier de manière détaillée le tissu neuronal en utilisant la lumière, c’est-à-dire grâce à l’incorporation de nanomodulateurs optiques. Pour ce faire, les scientifiques ont combiné leur expertise en fabrication à l’échelle nanométrique et en neuro-ingénierie biomédicale, afin d’exploiter la physique des polaritons de plasmon de surface et de créer un outil d’investigation qui modifie et amplifie la façon dont la lumière peut stimuler et surveiller des zones cérébrales spécifiques.
Ils sont partis d’une fibre optique effilée, plus fine qu’un cheveu, puis ils l’ont équipée de nanostructures qui résonnent en réponse à un stimulus lumineux introduit par la fibre elle-même dans les régions profondes du cerveau. Les nanostructures ont été créées en recouvrant la pointe microscopique de la sonde d’une fine couche d’or. Puis, en utilisant un faisceau d’ions gallium comme ciseau, ils ont façonné une grille d’éléments optiques nanoscopiques, constituée de lignes fines de 100 nm, dont les caractéristiques ont été validées dans une série d’expériences de microscopie et de spectroscopie optique.
Grâce à cette méthode de fabrication, il a été possible d’obtenir un outil qui permet de contrôler à la fois la modulation du faisceau lumineux de la sonde et le champ électrique local agissant sur des surfaces comparables à la taille des cellules cérébrales. Les chercheurs pourraient alors être en mesure d’étudier l’interaction entre le faisceau lumineux et les structures neuronales, même dans les zones les plus profondes du cerveau.
La possibilité de créer de tels systèmes plasmoniques implantables offre une nouvelle perspective dans l’étude du système nerveux central : l’amplification produite par les nanostructures se veut un outil efficace pour détecter les altérations biochimiques et de structure cellulaire à l’origine de plusieurs troubles neuronaux.
Par conséquent, la partie de l’équipe internationale basée en Espagne se concentre sur l’application qu’elle peut avoir. Des chercheurs expérimentaux du CSIC dirigés par Liset M de la Prida travaillent à appliquer ces sondes dans l’étude de l’épilepsie post-traumatique et des maladies neurodégénératives, telles que la maladie d’Alzheimer. Tandis que le Brain Metastasis Group dirigé par Manuel Valiente au CNIO étudiera l’utilisation de cette nouvelle technologie pour distinguer les tumeurs primaires des métastases, dont les traitements sont différents, ainsi que l’utilisation de la lumière pour perméabiliser la barrière hémato-encéphalique, permettant des -médicaments tumoraux pour traverser la barrière vasculaire.
Référence: Pisano F, Kashif MF, Balena A, et al. Plasmonique sur un implant neural : ingénierie des interactions lumière-matière sur la surface non plane des fibres optiques effilées. Adv. Opter. Mater. 2022;10(2):2101649. doi : 10.1002/adom.202101649
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