Comment des neurones artificiels imprimés communiquent avec de vraies cellules cérébrales

Le fossé entre l'électronique et la biologie

Depuis des décennies, l'un des problèmes d'ingénierie les plus ardus en neurosciences est la construction d'électroniques capables de parler le langage du cerveau. Les puces de silicium conventionnelles fonctionnent avec des signaux de tension constants, mais les neurones biologiques communiquent par le biais de pics électriques rapides et irréguliers. Combler ce décalage est essentiel pour les neuroprothèses, des dispositifs qui restaurent l'ouïe, la vision ou le mouvement perdus en se connectant directement au système nerveux. Une nouvelle génération de neurones artificiels imprimés est en train de réduire cet écart.

Que sont les neurones artificiels ?

Un neurone artificiel est un dispositif électronique conçu pour imiter le comportement de décharge d'une véritable cellule nerveuse. En biologie, un neurone accumule une charge électrique jusqu'à ce qu'il franchisse un seuil, puis émet un bref pic et se réinitialise, un schéma appelé intégration-décharge. Les neurones artificiels reproduisent ce cycle en utilisant des éléments de circuit spécialisés plutôt que des canaux ioniques et des membranes cellulaires.

Le composant essentiel des derniers dispositifs est un memristor, une résistance avec mémoire. Lorsqu'une tension est appliquée, un minuscule filament conducteur se forme à l'intérieur du matériau, permettant au courant de circuler en une rafale soudaine qui ressemble beaucoup à un pic biologique. Une fois que le filament se brise, le dispositif se réinitialise et le cycle peut recommencer. En ajustant les matériaux et la géométrie, les chercheurs peuvent ajuster la fréquence, l'amplitude et le timing des pics pour qu'ils correspondent aux schémas attendus par les vrais neurones.

Imprimer des neurones comme de l'encre sur du papier

Des chercheurs de l'université Northwestern, dirigés par le scientifique des matériaux Mark Hersam, ont démontré dans une étude publiée dans Nature Nanotechnology que les neurones artificiels peuvent être fabriqués avec une approche plus proche d'une imprimante à jet d'encre que d'une usine de semi-conducteurs. L'équipe a formulé des encres électroniques à partir de paillettes nanométriques de disulfure de molybdène (MoS₂), un semi-conducteur, et de graphène, un conducteur électrique.

Grâce à l'impression par jet d'aérosol, les encres sont déposées sur de fins films polymères flexibles. Une innovation clé consiste à décomposer partiellement le stabilisateur polymère dans l'encre plutôt que de l'éliminer complètement. Lorsque le courant traverse le dispositif, une décomposition supplémentaire se produit de manière inégale, créant les filaments conducteurs essentiels au comportement de décharge. Les circuits résultants peuvent émettre des pics à des fréquences réglables allant jusqu'à 20 kHz et rester stables pendant plus d'un million de cycles.

Parler aux tissus vivants

La véritable percée se produit lorsque ces neurones imprimés rencontrent des neurones biologiques. Lors d'expériences sur des tranches de tissu cérébral de souris, les neurones artificiels ont généré des pics électriques suffisamment réalistes pour activer des neurones vivants, déclenchant des réponses mesurables dans de vraies cellules cérébrales. Ce niveau de biocompatibilité est une condition préalable à tout dispositif destiné à être implanté.

Les interfaces cerveau-machine traditionnelles reposent sur des réseaux de microélectrodes rigides, de minuscules grilles de contacts métalliques implantées dans le crâne. Elles fonctionnent, mais les matériaux rigides peuvent endommager les tissus cérébraux mous au fil du temps, provoquant des cicatrices qui dégradent le signal. Les neurones imprimés sur des substrats flexibles pourraient se conformer à la surface du cerveau, réduisant ainsi les dommages tissulaires et prolongeant la durée de vie du dispositif.

Pourquoi c'est important pour les neuroprothèses

Les interfaces cerveau-machine permettent déjà des prouesses remarquables. Des essais cliniques ont montré que les réseaux implantés peuvent décoder l'écriture manuscrite, la parole et les intentions motrices complexes à partir de l'activité corticale, permettant aux patients paralysés de taper, de parler via un synthétiseur ou de contrôler un bras robotique. Mais les dispositifs actuels sont coûteux à fabriquer, rigides et nécessitent une chirurgie invasive.

Les neurones artificiels imprimés répondent simultanément à plusieurs de ces limitations :

• Coût : L'impression est additive (le matériau ne va que là où il est nécessaire), ce qui réduit les déchets de fabrication et les dépenses par rapport à la lithographie en salle blanche.
• Flexibilité : Les substrats polymères se plient avec le corps, réduisant ainsi le décalage mécanique qui provoque la cicatrisation des tissus.
• Évolutivité : Le même processus d'impression pourrait produire des dispositifs en grands lots, ce qui rendrait les neuroprothèses plus accessibles.

Défis à relever

Les neurones imprimés qui fonctionnent sur des tranches de cerveau dans un laboratoire ne sont pas encore prêts pour l'implantation humaine. La biocompatibilité à long terme, l'alimentation électrique sans fil et l'intégration aux défenses immunitaires de l'organisme restent des problèmes d'ingénierie non résolus. L'approbation réglementaire de tout dispositif neuronal implanté nécessite également des années de tests de sécurité.

Néanmoins, la capacité d'imprimer des composants électroniques flexibles et peu coûteux qui communiquent réellement avec les neurones biologiques marque une étape importante. Comme le soulignent les chercheurs de Northwestern, cela rapproche le domaine d'un avenir où la réparation d'un système nerveux endommagé pourrait commencer par un dispositif construit sur une imprimante de bureau.