Les ingénieurs de l'Université Rice ont développé le premier stimulateur cérébral miniaturisé qui fonctionne chez un patient humain. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Un petit implant crânien a positionné le laboratoire Rice comme un leader dans la recherche en neurotechnologie.
Les ingénieurs de l'Université Rice ont développé le plus petit stimulateur cérébral implantable démontré chez un patient humain. Grâce à la technologie pionnière de transfert d'énergie magnétoélectrique, le dispositif de la taille d'un pois développé dans le laboratoire Rice de Jacob Robinson en collaboration avec Motif Neurotech et les cliniciens Dr Sameer Sheth et Dr Sunil Sheth peut être alimenté sans fil via un émetteur externe et utilisé pour stimuler le cerveau à travers la dure-mère ⎯ la membrane protectrice fixée à la base du crâne.
L'appareil, connu sous le nom de DOT (Over-brain Therapeutic) programmable numériquement, pourrait révolutionner le traitement de la dépression pharmacorésistante et d'autres troubles psychiatriques ou neurologiques en offrant une alternative thérapeutique offrant une plus grande autonomie et une plus grande accessibilité au patient que les thérapies actuelles basées sur la neurostimulation. moins invasive que les autres interfaces cerveau-ordinateur (BCI).
Avancées technologiques et résultats de recherche
« Dans cet article, nous montrons que notre appareil, de la taille d'un pois, peut activer le cortex moteur, ce qui amène le patient à bouger sa main », a déclaré Robinson, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à Rice. « À l'avenir, nous pourrons placer l'implant au-dessus d'autres parties du cerveau, comme le cortex préfrontal, où nous espérons améliorer le fonctionnement exécutif des personnes souffrant de dépression ou d'autres troubles. »
Les technologies implantables existantes pour la stimulation cérébrale sont alimentées par des batteries relativement grosses qui doivent être placées sous la peau ailleurs dans le corps et connectées au dispositif de stimulation via de longs fils. De telles limitations de conception nécessitent davantage d'interventions chirurgicales et soumettent l'individu à une plus grande charge d'implantation du matériel, à des risques de rupture ou de défaillance des fils et à la nécessité de futures interventions chirurgicales de remplacement de la batterie.
Jacob Robinson, de l'Université Rice, et son équipe de chercheurs ont développé le plus petit stimulateur cérébral implantable démontré chez un patient humain, qui pourrait révolutionner le traitement de la dépression pharmacorésistante et d'autres troubles psychiatriques ou neurologiques. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
« Nous avons éliminé le besoin d'une batterie en alimentant l'appareil sans fil à l'aide d'un émetteur externe », a expliqué Joshua Woods, étudiant diplômé en génie électrique au laboratoire Robinson et auteur principal de l'étude publiée dans Avancées scientifiques. Amanda Singer, une ancienne étudiante diplômée du programme de physique appliquée de Rice qui travaille maintenant à Motif Neurotech, est également l'une des principales auteurs.
La technologie repose sur un matériau qui convertit les champs magnétiques en impulsions électriques. Ce processus de conversion est très efficace à petite échelle et présente une bonne tolérance au désalignement, ce qui signifie qu'il ne nécessite pas de manœuvres complexes ou minutieuses pour être activé et contrôlé. L'appareil a une largeur de 9 millimètres et peut délivrer une stimulation de 14,5 volts.
« Notre implant obtient toute son énergie grâce à cet effet magnétoélectrique », a déclaré Robinson, fondateur et PDG de Motif, une startup créée via Rice Biotech Launch Pad qui travaille à la commercialisation de l'appareil.
Motif est l'une des nombreuses sociétés de neurotechnologie qui étudient le potentiel des BCI pour révolutionner les traitements des troubles neurologiques.
« La neurostimulation est essentielle pour permettre des thérapies dans le domaine de la santé mentale, où les effets secondaires des médicaments et leur manque d'efficacité laissent de nombreuses personnes sans options de traitement adéquates », a déclaré Robinson.
Tests cliniques et orientations futures
Les chercheurs ont testé temporairement l'appareil sur un patient humain, en l'utilisant pour stimuler le cortex moteur – la partie du cerveau responsable du mouvement – et en générant une réponse au mouvement de la main. Ils ont ensuite montré que le dispositif s'interface avec le cerveau de manière stable pendant une durée de 30 jours chez le porc.
« Cela n'a jamais été fait auparavant car la qualité et la force du signal nécessaire pour stimuler le cerveau à travers la dure-mère étaient auparavant impossibles avec le transfert de puissance sans fil pour des implants aussi petits », a déclaré Woods.
Robinson envisage que la technologie soit utilisée dans le confort de son foyer. Un médecin prescrirait le traitement et fournirait des directives d'utilisation de l'appareil, mais les patients conserveraient un contrôle total sur la manière dont le traitement est administré.
« De retour chez lui, le patient mettrait son chapeau ou son portable pour alimenter et communiquer avec l'implant, pousserait « go » sur son iPhone ou sa montre intelligente, puis la stimulation électrique de cet implant activerait un réseau neuronal à l'intérieur du cerveau », dit Robinson.
L'implantation nécessiterait une procédure mini-invasive de 30 minutes qui placerait le dispositif dans l'os au-dessus du cerveau. L’implant et l’incision seraient pratiquement invisibles et le patient rentrerait chez lui le jour même.
Joshua Woods (de gauche à droite), Jacob Robinson et Fatima Alrashdan. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
« Quand vous pensez à un stimulateur cardiaque, c'est une partie très courante des soins cardiaques », a déclaré Sheth, professeur et vice-président de la recherche, McNair Scholar et Chaire de neurochirurgie dotée de la Fondation Cullen au Baylor College of Medicine. « Dans les troubles neurologiques et psychiatriques, l’équivalent est la stimulation cérébrale profonde (DBS), qui semble effrayante et invasive. La DBS est en fait une procédure assez sûre, mais il s’agit toujours d’une chirurgie cérébrale, et son risque perçu placera un plafond très bas sur le nombre de personnes prêtes à l’accepter et susceptibles d’en bénéficier. C'est ici que des technologies comme celle-ci entrent en jeu. Une intervention mineure de 30 minutes qui n'est guère plus qu'une chirurgie cutanée, pratiquée dans un centre de chirurgie ambulatoire, est beaucoup plus susceptible d'être tolérée que la DBS. Donc, si nous pouvons montrer qu’elle est aussi efficace que des alternatives plus invasives, cette thérapie aura probablement un impact beaucoup plus important sur la santé mentale.
Pour certaines pathologies, l'épilepsie par exemple, l'appareil peut devoir être allumé en permanence ou la plupart du temps, mais pour des troubles tels que la dépression et les TOC, un régime de quelques minutes de stimulation par jour seulement pourrait suffire pour provoquer les changements souhaités. dans le fonctionnement du réseau neuronal ciblé.
En ce qui concerne les prochaines étapes, Robinson a déclaré que du côté de la recherche, il est « vraiment intéressé par l'idée de créer des réseaux d'implants et de créer des implants capables de stimuler et d'enregistrer, afin qu'ils puissent fournir des thérapies personnalisées adaptatives basées sur votre propre cerveau. signatures. » Du point de vue du développement thérapeutique, Motif Neurotech est en train de demander l'approbation de la FDA pour un essai clinique à long terme chez l'homme. Les patients et les soignants peuvent s'inscrire sur le site Web Motif Neurotech pour savoir quand et où ces essais commenceront.
Le travail a été soutenu en partie par la Fondation Robert et Janice McNair, le McNair Medical Institute, DARPA et la Fondation nationale de la science.
