Éléments clés à savoir :
- Dynamique neuronale complexe : Le réseau complexe de neurones du cerveau est essentiel à toutes les fonctions corporelles, contrôlant tout, de la motricité à la mémoire et à la conscience.
- Impact de l'inadéquation des matériaux : Les sondes neuronales traditionnelles fabriquées à partir de matériaux rigides comme le silicium peuvent provoquer une inadéquation mécanique au niveau de l'interface cérébrale, entraînant des problèmes potentiels d'inflammation et de déplacement.
- Avancées dans les sondes neuronales : Les innovations récentes utilisent des matériaux souples et flexibles comme l'alliage eutectique gallium-indium (EGaIn), qui correspondent étroitement aux propriétés mécaniques du tissu cérébral, réduisant ainsi les réactions indésirables et améliorant la stabilité de la sonde.
- Systèmes personnalisables et conformables : Les techniques de pointe impliquent l’impression de composants d’interface neuronale directement sur le crâne, permettant ainsi de créer des systèmes hautement personnalisés et biocompatibles qui améliorent la précision et la longévité de la surveillance neuronale.
Le cerveau est l’organe le plus complexe du corps. Il s’agit d’un réseau complexe en 3D de neurones qui génèrent et transmettent en permanence des signaux pour communiquer entre eux et avec le reste du corps. L'activité neuronale du cerveau est responsable de toutes les fonctions du corps et, au niveau macro, contrôle les fonctions, la conscience et Mémoire formation.
La complexité du cerveau signifie que toute petite anomalie au sein des neurones peut avoir des conséquences importantes et dramatiques, notamment conduire à des troubles neurologiques tels que l'épilepsie, la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, la dépression et la douleur chronique. Neural sondes sont souvent utilisés pour vérifier si une personne est à risque de souffrir de ces troubles, ainsi que pour surveiller l'activité et la progression de tout trouble une fois diagnostiqué. Ceux-ci sont appareils électroniques implantables qui transduisent les signaux ioniques neuronaux en signaux électroniques, permettant ainsi de cartographier les activités neuronales dans différentes régions du cerveau.
Défis des matériaux de sonde neurale traditionnels
Cependant, l'un des défis de nombreuses sondes neuronales aujourd'hui est qu'elles sont basées sur des matériaux solides, tels que des métaux ou des métaux. silicium. Ces matériaux ont des modules d’élasticité de l’ordre de plusieurs centaines de GPa, soit environ sept ordres de grandeur supérieurs au module d’élasticité du cerveau. Cela conduit à une inadéquation mécanique au niveau de la sonde-cerveau interface cela provoque souvent des réponses inflammatoires du tissu cérébral après l’implantation. Ces réponses inflammatoires provoquent souvent le déplacement de l'implant de son emplacement prévu, de sorte que les données requises ne sont pas toujours capturées et que le patient peut également ressentir un inconfort.
L'utilisation du gallium-indium eutectique (EGaIn) dans les sondes neurales, comme discuté dans des études récentes, résout le problème crucial de l'inadéquation mécanique en offrant un matériau souple et flexible qui minimise l'irritation des tissus et les réponses inflammatoires. Cette innovation ouvre la voie à des systèmes de surveillance neuronale plus sûrs et plus confortables.
L’utilisation de l’électronique douce contribue à réduire le décalage mécanique et les réponses inflammatoires. Un certain nombre d'études ont montré qu'il était possible de créer des sondes neuronales souples et conformables, qui s'adaptent mieux au tissu cérébral afin de réduire les réponses inflammatoires. Cependant, malgré les avancées matérielles dans les sondes elles-mêmes, elles sont toujours actionnées par un système électronique encombrant et rigide monté à l’intérieur du corps. Ces systèmes volumineux peuvent entraîner une dégradation rapide du dispositif dans l’organisme et réduire l’efficacité des sondes neurales souples au fil du temps. Pour réaliser pleinement le potentiel des sondes neuronales souples et biocompatibles, elles doivent être accompagnées de composants électroniques et d’une plate-forme également de nature souple, conformable et biocompatible.
Pour permettre une compréhension plus claire des progrès technologiques dans le domaine des sondes neuronales, la figure 1 de l'étude référencée illustre de manière frappante le processus d'impression haute résolution de métal liquide utilisé pour créer des sondes neuronales souples et flexibles. Ce chiffre présente non seulement les détails complexes des conceptions des sondes, mais souligne également la précision et l'adaptabilité de cette méthode de fabrication, qui sont essentielles pour garantir la compatibilité et la fonctionnalité des sondes dans l'environnement délicat du cerveau.
a Schéma du système d'impression sur métal liquide. b Images SEM de motifs de métal liquide avec des barres d'échelle à 500 µm (noir) et 50 µm (blanc). c Graphique illustrant les largeurs de ligne en fonction du diamètre intérieur de la buse, avec des barres d'erreur indiquant l'écart type. d Schéma montrant la ressemblance entre la sonde neurale molle et le neurone. Encart : schéma en vue éclatée. e Image SEM de la pointe de la sonde colorée pour le parylène (vert) et le PtB (jaune), barre d'échelle à 10 µm. f SEM de PtB sur la pointe de la sonde, barre d'échelle à 500 nm. g Spectroscopie d'impédance pour EGaIn avec et sans revêtement PtB ; l'encart montre l'impédance à 1 kHz. h Comparaison des modules d'élasticité de matériaux tels que les revêtements de silicium, d'or, PEDOT et EGaIn, avec des erreurs d'écart type. i Surveillance de la résistance en temps réel de PtB/EGaIn pendant la déconnexion et la reconnexion. j Impédance de PtB/EGaIn à travers des cycles de déconnexion et de reconnexion.
L’incorporation de matériaux avancés tels que les métaux liquides dans l’électronique des interfaces neuronales offre une approche révolutionnaire pour garantir que l’ensemble du système reste souple et biocompatible. Cette technique, mise en avant dans des recherches récentes, optimise la longévité fonctionnelle et l'efficacité des sondes neurales implantées.
Examen de la compatibilité de l'ensemble du système d'interface neuronale
Lorsque l'on examine la biocompatibilité de l'ensemble du système d'implant utilisé pour construire l'interface neuronale, de nombreux composants électroniques subsidiaires sont utilisés pour collecter les signaux de données brutes des sondes neuronales et les transmettre de l'implant à un serveur externe à l'hôpital. pour analyse. De plus, la forme plate et rigide des cartes de circuits imprimés qui relient les sondes à l'électronique secondaire limite également l'utilisation à long terme des sondes neurales et se détériore avec le temps en raison de l'inadéquation mécanique avec les tissus environnants.
L’électronique extensible est considérée comme la voie à suivre car elle peut imiter la courbure naturelle du corps et ne pas induire de décalage mécanique favorisant les réponses inflammatoires. Cependant, un autre aspect clé est que l'électronique, en particulier le circuit imprimé, doit être adaptée à chaque patient, car c'est le circuit imprimé qui possède la plus grande interface avec les tissus environnants et qui a la plus grande influence sur l'inadéquation mécanique au-delà du se sonde eux-mêmes. Les systèmes électroniques doivent être adaptés au patient, car le crâne et le cerveau de chaque personne sont de tailles différentes et l'emplacement des sondes neurales sera différent selon la région du cerveau analysée. Il existe donc un besoin de développer des approches capables d'atteindre ce niveau de conception personnalisable en fonction du patient et de la procédure.
La personnalisation des interfaces neuronales grâce à l'impression directe sur le crâne garantit que chaque système est parfaitement adapté à l'anatomie du patient, améliorant à la fois l'efficacité et le confort du traitement. Cette méthode, qui utilise un placement précis et des matériaux tels que des métaux liquides, peut améliorer considérablement les résultats pour les patients en réduisant le risque d'inadéquation mécanique et de réponse tissulaire ultérieure.
Nouveau système d'interface neuronale offrant une flexibilité multi-composants
Les chercheurs ont maintenant décidé d'imprimer les sondes neuronales, les circuits imprimés et les composants électroniques subsidiaires directement sur le cerveau et le crâne dans le but de répondre aux exigences de personnalisation et d'électronique douce. Le résultat est un système d’interface neuronale souple et conformable, capable de surveiller les activités unitaires des neurones avec une stabilité à long terme. Les composants du système d'interface neuronale ont été imprimés à l'aide d'un alliage eutectique gallium-indium (EGaIn ; 75.5 % de gallium, 24.5 % d'indium en poids), qui est un métal liquide à base de gallium.
Les sondes neuronales souples en métal liquide qui ont été imprimées avaient un diamètre à l'échelle subcellulaire, avec des longueurs adaptables, et elles ont été implantées dans le cerveau. Les circuits en métal liquide, les interconnexions et l'électronique subsidiaire ont tous été directement imprimés sur la surface du crâne, permettant au système complet d'avoir une intégration conforme au corps et une meilleure biocompatibilité. Le système de circuits imprimés sur le crâne était également capable de transmettre sans fil le signal neuronal mesuré à un smartphone. Les signaux des sondes neurales ont également été améliorés par la formation de nanoclusters de platine sur les sondes neurales à l'interface neurone-sonde.
L’échelle subcellulaire des sondes neuronales imprimées était structurellement et mécaniquement similaire à celle des neurones. Les longueurs des sondes pourraient être contrôlées par l'impression du métal liquide à travers une buse capillaire, garantissant que les sondes pourraient être modifiées avec précision à différentes profondeurs et régions du cerveau en fonction de la procédure et des régions d'intérêt. Le module souple des sondes neuronales imprimées a pu restaurer leurs propriétés de conduction électrique sous déformation extrême grâce aux capacités d’auto-guérison du métal liquide.
L'application de métal liquide dans les sondes neurales permet non seulement d'ajuster les longueurs et les diamètres à l'échelle subcellulaire, mais introduit également une amélioration significative de la conductivité électrique et des propriétés mécaniques des sondes. Cette adaptabilité garantit que les sondes peuvent être ajustées avec précision pour cibler des zones spécifiques du cerveau, améliorant ainsi la précision de la surveillance neuronale et des stratégies de traitement.
Avancées dans les applications d’interface neuronale
Les chercheurs ont également démontré la capacité de former des circuits miniaturisés et conformes sur le crâne d'une souris vivante et ont pris des enregistrements neuronaux sans fil de l'activité cérébrale. Les sondes ont été utilisées pour l’enregistrement neuronal et les tests comportementaux sur des souris en mouvement libre. Les potentiels de champ local (LFP) et les pointes unitaires dans différentes régions du cerveau ont été étudiés sur une longue période d'enregistrement de 33 semaines, démontrant l'adaptabilité du processus pour créer des interfaces neuronales imprimables pouvant être utilisées pour mesurer différentes régions du cerveau. sur de longues périodes sans dégradation.
L'enregistrement des signaux neuronaux a été réalisé en utilisant à la fois Wi-Fi et un système de communication en champ proche (NFC). L'intégration du système de communication NFC dans le cuir chevelu a donné des résultats positifs et le transfert de données pour analyse. En revanche, l’approche Wi-Fi n’a pas eu autant de succès car les composants n’étaient pas aussi intégrés dans le corps que l’approche NFC. En effet, la plate-forme imprimée compatible Wi-Fi était plus grande et nécessitait des batteries volumineuses.
La création de systèmes complets d’interface neuronale imprimables directement sur le crâne a connu beaucoup de succès. Les défis posés par la plate-forme Wi-Fi ouvrent la possibilité de poursuivre les recherches dans ce domaine en vue de créer des batteries imprimables plus efficaces utilisant des biofluides comme électrolyte. La capacité de créer à la fois des interfaces neuronales douces et des circuits conformes sur les tissus biologiques mous pourrait également contribuer à faire progresser les domaines des neurosciences et de la bioélectronique dans les années à venir.
Référence:
Parc JU. et al., Intégration in vivo de sondes neuronales souples grâce à l'impression haute résolution d'électronique liquide sur le crâne, Communications Nature, 15, (2024), 1772.