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La percée des ultrasons du MIT : une nouvelle ère dans la guérison cérébrale non invasive

SciTechDaily

L'appareil ImPULS contient des transducteurs à ultrasons et des électrodes (or) encapsulées dans un polymère. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

MITLe dispositif implantable ImPULS pourrait devenir une alternative aux électrodes actuellement utilisées pour traiter la maladie de Parkinson et d'autres maladies.

Des ingénieurs du MIT ont développé un appareil à ultrasons aussi fin qu'un cheveu qui pourrait constituer une avancée majeure dans le traitement des troubles neurologiques en fournissant une stimulation cérébrale profonde précise et peu invasive. Cette technologie, baptisée ImPULS, pourrait remplacer les méthodes traditionnelles à base d'électrodes, promettant une réduction des lésions tissulaires et une efficacité accrue.

La stimulation cérébrale profonde, par l'implantation d'électrodes 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 finir par se corroder et accumuler du tissu cicatriciel, ce qui nécessite 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 s’activer dans les profondeurs du cerveau », explique Canan Dagdeviren, professeur associé au MIT Media Lab et auteur principal de la nouvelle étude. « Cet appareil est plus fin qu’une fibre capillaire, il n’y aura donc que peu de dommages tissulaires et il nous sera facile de le déplacer dans les profondeurs du cerveau. »

Avantages de la stimulation par ultrasons

En plus d’offrir un moyen potentiellement plus sûr de fournir une stimulation cérébrale profonde, cette approche pourrait également devenir un outil précieux pour les chercheurs qui cherchent 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 a été publiée le 4 juin dans la revue Communications naturelles.

Au plus profond du cerveau

Le laboratoire de Dagdeviren a déjà développé des appareils à ultrasons portables qui peuvent être utilisés pour administrer des médicaments à travers la peau ou réaliser des examens d'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 pénétrer dans les profondeurs du cerveau, il ne suffit plus de le porter ou de l’attacher. Il faut qu’il soit implantable », explique Dagdeviren. « Nous personnalisons soigneusement le dispositif afin qu’il soit le moins invasif possible et qu’il évite les gros vaisseaux sanguins dans les profondeurs du cerveau. »

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.

Ultrasons délivrés par fibre

La nouvelle approche utilise des ultrasons délivrés par une fibre de l’épaisseur d’un cheveu humain. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Nouvelle conception et application des ultrasons dans le cerveau

L'équipe du MIT a cherché à voir s'il était possible de 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, comme les vibrations des ondes sonores, et les ultrasons peuvent donc être utilisés pour déclencher l'activité de ces cellules. Cependant, les technologies existantes permettant d'envoyer des ultrasons au cerveau par le crâne ne peuvent pas atteindre le cerveau en profondeur 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.

« Il est sans danger pour les tissus, il n'y a pas de surface d'électrode exposée et il consomme très peu d'énergie, ce qui est de bon augure pour une utilisation transposée auprès des patients », explique Hou.

Implications et orientations futures

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.

Appareil ImPULS

Dans le nouveau système, les transducteurs (en argent) sont alimentés par des fils (en or) qui délivrent une stimulation électrique. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Technologie personnalisable et évolutive

Tous les composants de l'appareil sont biocompatibles, y compris la couche piézoélectrique, qui est 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 versions futures pourraient être alimentées par une petite batterie implantable et une unité électronique.

Les chercheurs ont mis au point 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 dispositifs en fonction des 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.

Conclusion et objectifs de recherche futurs

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 en dispositifs, nous essayons de fournir de nouveaux outils pour 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).

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