La stimulation cérébrale profonde, au moyen d’électrodes implantées qui délivrent des impulsions électriques au cerveau, est souvent utilisée pour traiter la maladie de Parkinson et d’autres troubles neurologiques. Cependant, les électrodes utilisées pour ce traitement peuvent éventuellement se corroder et accumuler du tissu cicatriciel, nécessitant leur retrait.
Les chercheurs du MIT ont maintenant développé une approche alternative qui utilise les ultrasons au lieu de l’électricité pour effectuer une stimulation cérébrale profonde, délivrée par une fibre de l’épaisseur d’un cheveu humain. Dans une étude menée sur des souris, ils ont montré que cette stimulation pouvait déclencher la libération de dopamine par les neurones, dans une partie du cerveau souvent ciblée chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.
« En utilisant l’échographie, nous pouvons créer une nouvelle façon de stimuler les neurones à se déclencher dans le cerveau profond », explique Canan Dagdeviren, professeur agrégé au MIT Media Lab et auteur principal de la nouvelle étude. « Cet appareil est plus fin qu’une fibre capillaire, il y aura donc des dommages tissulaires négligeables, et il nous est facile de naviguer dans cet appareil dans le cerveau profond. »
En plus d’offrir un moyen potentiellement plus sûr de stimuler le cerveau profond, cette approche pourrait également devenir un outil précieux pour les chercheurs cherchant à en savoir plus sur le fonctionnement du cerveau.
Jason Hou, étudiant diplômé du MIT, et le postdoctorant du MIT, Md Osman Goni Nayeem, sont les principaux auteurs de l’article, ainsi que des collaborateurs du McGovern Institute for Brain Research du MIT, de l’Université de Boston et de Caltech. L’étude paraît aujourd’hui dans Communications naturelles.
Au plus profond du cerveau
Le laboratoire de Dagdeviren a déjà développé des appareils à ultrasons portables qui peuvent être utilisés pour livrer des médicaments à travers la peau ou effectuer imagerie diagnostique sur divers organes. Cependant, les ultrasons ne peuvent pas pénétrer profondément dans le cerveau à partir d’un appareil fixé à la tête ou au crâne.
« Si nous voulons aller dans le cerveau profond, alors il ne peut plus être simplement portable ou attachable. Il doit être implantable », explique Dagdeviren. « Nous personnalisons soigneusement le dispositif afin qu’il soit peu invasif et évite les principaux vaisseaux sanguins dans le cerveau profond. »
La stimulation cérébrale profonde avec des impulsions électriques est approuvée par la FDA pour traiter les symptômes de la maladie de Parkinson. Cette approche utilise des électrodes d’un millimètre d’épaisseur pour activer les cellules productrices de dopamine dans une région du cerveau appelée substance noire. Cependant, une fois implantés dans le cerveau, les dispositifs finissent par se corroder et le tissu cicatriciel qui s’accumule autour de l’implant peut interférer avec les impulsions électriques.
L’équipe du MIT a cherché à savoir si elle pouvait surmonter certains de ces inconvénients en remplaçant la stimulation électrique par des ultrasons. La plupart des neurones possèdent des canaux ioniques qui réagissent à la stimulation mécanique, telle que les vibrations des ondes sonores, de sorte que les ultrasons peuvent être utilisés pour déclencher une activité dans ces cellules. Cependant, les technologies existantes permettant de transmettre des ultrasons au cerveau à travers le crâne ne peuvent pas pénétrer profondément dans le cerveau avec une grande précision, car le crâne lui-même peut interférer avec les ondes ultrasonores et provoquer une stimulation hors cible.
« Pour moduler avec précision les neurones, nous devons aller plus loin, ce qui nous amène à concevoir un nouveau type d’implant à ultrasons qui produit des champs ultrasonores localisés », explique Nayeem. Pour atteindre en toute sécurité ces régions profondes du cerveau, les chercheurs ont conçu une fibre fine comme un cheveu fabriquée à partir d’un polymère flexible. La pointe de la fibre contient un transducteur à ultrasons en forme de tambour avec une membrane vibrante. Lorsque cette membrane, qui encapsule un mince film piézoélectrique, est alimentée par une faible tension électrique, elle génère des ondes ultrasonores pouvant être détectées par les cellules voisines.
« C’est sans danger pour les tissus, il n’y a pas de surface d’électrode exposée et sa consommation est très faible, ce qui est de bon augure pour une utilisation par le patient », explique Hou.
Lors de tests sur des souris, les chercheurs ont montré que cet appareil à ultrasons, qu’ils appellent ImPULS (Implantable Piezoelectric Ultrasound Stimulator), peut provoquer une activité dans les neurones de l’hippocampe. Ensuite, ils ont implanté les fibres dans la substance noire productrice de dopamine et ont montré qu’elles pouvaient stimuler les neurones du striatum dorsal pour produire de la dopamine.
« La stimulation cérébrale est l’une des méthodes les plus efficaces, mais aussi l’une des moins comprises, utilisée pour restaurer la santé du cerveau. ImPULS nous donne la capacité de stimuler les cellules cérébrales avec une résolution spatio-temporelle exquise et d’une manière qui ne produit pas le type de dommages ou d’inflammation que les autres méthodes. Voir son efficacité dans des domaines tels que l’hippocampe nous a ouvert une toute nouvelle façon de délivrer une stimulation précise aux circuits ciblés du cerveau », explique Steve Ramirez, professeur adjoint de psychologie et de sciences du cerveau à l’Université de Boston et membre du corps professoral du Center de la BU. pour Systems Neuroscience, qui est également l’auteur de l’étude.
Un appareil personnalisable
Tous les composants du dispositif sont biocompatibles, y compris la couche piézoélectrique, constituée d’une nouvelle céramique appelée niobate de potassium et de sodium, ou KNN. La version actuelle de l’implant est alimentée par une source d’alimentation externe, mais les chercheurs envisagent que les futures versions pourraient être alimentées par une petite batterie implantable et une unité électronique.
Les chercheurs ont développé un procédé de microfabrication qui leur permet de modifier facilement la longueur et l’épaisseur de la fibre, ainsi que la fréquence des ondes sonores produites par le transducteur piézoélectrique. Cela pourrait permettre de personnaliser les appareils pour différentes régions du cerveau.
« Nous ne pouvons pas affirmer que l’appareil produira le même effet sur chaque région du cerveau, mais nous pouvons affirmer facilement et en toute confiance que la technologie est évolutive, et pas seulement pour les souris. Nous pouvons également l’agrandir pour une éventuelle utilisation chez l’homme », explique Dagdeviren.
Les chercheurs prévoient maintenant d’étudier comment la stimulation par ultrasons pourrait affecter différentes régions du cerveau et si les dispositifs peuvent rester fonctionnels une fois implantés pendant un an. Ils s’intéressent également à la possibilité d’incorporer un canal microfluidique, qui pourrait permettre à l’appareil de délivrer des médicaments ainsi que des ultrasons.
En plus d’être prometteur en tant que traitement potentiel pour la maladie de Parkinson ou d’autres maladies, ce type d’appareil à ultrasons pourrait également être un outil précieux pour aider les chercheurs à en apprendre davantage sur le cerveau, affirment les chercheurs.
« Notre objectif est de fournir cet outil de recherche à la communauté des neurosciences, car nous pensons que nous ne disposons pas de suffisamment d’outils efficaces pour comprendre le cerveau », explique Dagdeviren. « En tant qu’ingénieurs d’appareils, nous essayons de fournir de nouveaux outils afin que nous puissions en apprendre davantage sur les différentes régions du cerveau. »
La recherche a été financée par le MIT Media Lab Consortium et le NARSAD Young Investigator Award du Brain and Behaviour Foundation Research (BBRF).
