Pour résoudre le problème, les ingénieurs de l’Université Rice ont développé des nanoélectrodes ultraflexibles peu invasives qui pourraient servir de plate-forme implantée pour administrer une thérapie de stimulation à long terme et à haute résolution.

Selon une étude publiée dans Rapports de cellule, les minuscules dispositifs implantables formaient des interfaces tissu-électrode stables, durables et homogènes avec un minimum de cicatrices ou de dégradation chez les rongeurs. Les appareils ont délivré des impulsions électriques qui correspondent plus étroitement aux modèles et aux amplitudes de signalisation neuronale que les stimuli des électrodes intracorticales conventionnelles.

La biocompatibilité élevée des dispositifs et le contrôle précis des stimuli spatio-temporels pourraient permettre le développement de nouvelles thérapies de stimulation cérébrale telles que les prothèses neuronales pour les patients présentant des fonctions sensorielles ou motrices altérées.

« Cet article utilise des techniques d’imagerie, comportementales et histologiques pour montrer comment ces électrodes intégrées aux tissus améliorent l’efficacité de la stimulation », a déclaré Lan Luan, professeur adjoint de génie électrique et informatique et auteur correspondant de l’étude. « Notre électrode délivre de minuscules impulsions électriques pour exciter l’activité neuronale de manière très contrôlable.

« Nous avons pu réduire le courant nécessaire pour provoquer l’activation neuronale de plus d’un ordre de grandeur. Les impulsions peuvent être aussi subtiles que quelques centaines de microsecondes de durée et un ou deux microampères d’amplitude. »

La nouvelle conception d’électrodes développée par les chercheurs de la Rice Neuroengineering Initiative représente une amélioration significative par rapport aux électrodes implantables conventionnelles utilisées pour traiter des affections telles que la maladie de Parkinson, l’épilepsie et les troubles obsessionnels compulsifs, qui peuvent provoquer des réponses tissulaires indésirables et des modifications involontaires de l’activité neuronale.

« Les électrodes conventionnelles sont très invasives », a déclaré Chong Xie, professeur agrégé de génie électrique et informatique et auteur correspondant de l’étude. « Ils recrutent des milliers voire des millions de neurones à la fois.

« Chacun de ces neurones est censé avoir sa propre mélodie et se coordonner selon un schéma spécifique. Mais lorsque vous les choquez tous en même temps, vous perturbez fondamentalement leur fonction. Dans certains cas, cela fonctionne bien pour vous et a l’effet désiré. effet thérapeutique. Mais si, par exemple, vous voulez encoder des informations sensorielles, vous avez besoin d’un contrôle beaucoup plus grand sur les stimuli.

Xie a comparé la stimulation via des électrodes conventionnelles à l’effet perturbateur de « souffler un airhorn dans l’oreille de tout le monde ou de faire retentir un haut-parleur » dans une pièce remplie de personnes.

« Avant, nous avions ce très gros haut-parleur, et maintenant tout le monde a un écouteur », a-t-il déclaré.

La possibilité d’ajuster la fréquence, la durée et l’intensité des signaux pourrait permettre le développement de nouvelles prothèses sensorielles.

« L’activation des neurones est plus diffuse si vous utilisez un courant plus important », a déclaré Luan. « Nous avons pu réduire le courant et avons montré que nous avions une activation beaucoup plus ciblée. Cela peut se traduire par des dispositifs de stimulation à plus haute résolution. »

Luan et Xie sont les principaux membres de la Rice Neuroengineering Initiative et leurs laboratoires collaborent également au développement d’une prothèse visuelle implantable pour les patients aveugles.

« Envisagez un jour de pouvoir implanter des réseaux d’électrodes pour restaurer une fonction sensorielle altérée : plus l’activation des neurones est ciblée et délibérée, plus la sensation que vous générez est précise », a déclaré Luan.

Une version antérieure des appareils a été utilisée pour enregistrer l’activité cérébrale.

« Nous avons eu une série de publications montrant que cette intégration tissulaire intime permise par la conception ultraflexible de notre électrode améliore vraiment notre capacité à enregistrer l’activité cérébrale pendant de plus longues durées et avec de meilleurs rapports signal sur bruit », a déclaré Luan, qui a été promu associé professeur à compter du 1er juillet.

L’associé postdoctoral en génie électrique et informatique Roy Lycke et l’étudiant diplômé Robin Kim sont les auteurs principaux de l’étude.

L’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux (R01NS109361, U01 NS115588) et les fonds internes de Rice ont soutenu la recherche.