Les scientifiques ont créé une biopuce qui reproduit la rétine, offrant ainsi des avancées dans les domaines des implants médicaux, des études neuronales et de l’intelligence artificielle. Ce semi-conducteur organique flexible a des applications potentielles dans le traitement des troubles neurologiques et l’amélioration de l’efficacité informatique.
Une équipe de chercheurs internationaux dirigée par Francesca Santoro de Juliers a développé une biopuce qui imite la rétine humaine. Cette innovation s’inscrit dans un effort plus large en bioélectronique visant à réparer les dysfonctionnements corporels et cérébraux. La création de cette puce est le fruit d’une collaboration impliquant des experts du Forschungszentrum Jülich, de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, de l’Istituto Italiano di Tecnologia et de l’Université de Naples. Leurs travaux et découvertes ont été publiés dans la revue Communications naturelles.
La fusion de l’homme et de la machine est la quintessence d’un récit de science-fiction. Dans la vraie vie, les premiers pas vers de tels cyborgs ont été faits depuis longtemps : les gens portent des stimulateurs cardiaques pour traiter les arythmies ou des implants cochléaires pour améliorer l’audition, et les implants rétiniens aident les personnes presque aveugles à voir au moins un peu. Une nouvelle puce pourrait à l’avenir aider les implants rétiniens à mieux fusionner avec le corps humain. Il est basé sur des polymères conducteurs et des molécules photosensibles qui peuvent être utilisées pour imiter la rétine, complétée par des voies visuelles. Il a été développé par le groupe de recherche de Francesca Santoro à l’Institut de bioélectronique de Jülich (IBI-3) en collaboration avec l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, l’Istituto Italiano di Tecnologia de Gênes et l’Université de Naples.
« Notre semi-conducteur organique reconnaît la quantité de lumière qui l’atteint. Quelque chose de similaire se produit à nos yeux. La quantité de lumière qui frappe les photorécepteurs individuels crée finalement l’image dans le cerveau », explique Santoro, professeur d’interfaces neuroélectroniques à l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle et également chercheur invité à l’Istituto Italiano di Tecnologia.
Puce polyvalente
Ce qui est exceptionnel avec ce nouveau semi-conducteur, c’est qu’il est entièrement constitué de composants organiques non toxiques, qu’il est flexible et qu’il fonctionne avec des ions, c’est-à-dire avec des atomes ou des molécules chargés. Il s’intègre ainsi bien mieux dans les systèmes biologiques que les composants semi-conducteurs classiques en silicium, rigides et fonctionnant uniquement avec des électrons. « Les cellules de notre corps utilisent spécifiquement des ions pour contrôler certains processus et échanger des informations », explique le chercheur. Cependant, ce développement n’est jusqu’à présent qu’une « preuve de concept », souligne-t-elle. Le matériau a été synthétisé puis caractérisé : « Nous avons pu montrer que les propriétés typiques de la rétine peuvent être imitées grâce à lui », précise-t-elle.
Professeur Francesca Santoro. Crédit : Institut italien de technologie
Les chercheurs réfléchissent déjà à une autre application possible : la puce pourrait également fonctionner comme un synapse car l’irradiation lumineuse modifie la conductivité du polymère utilisé à court et à long terme. Les vraies synapses fonctionnent de la même manière : en transmettant des signaux électriques, elles modifient par exemple leur taille et leur efficacité, ce qui est à la base de la capacité d’apprentissage et de mémoire de notre cerveau. Santoro regarde vers l’avenir : « Dans les expériences futures, nous voulons coupler les composants avec des cellules biologiques et relier de nombreux éléments individuels entre eux. »
Comprendre les neurones
En plus de la rétine artificielle, l’équipe de Santoro développe d’autres approches pour des puces bioélectroniques capables d’interagir de manière similaire avec le corps humain, en particulier les cellules du système nerveux. « D’une part, nous essayons de reproduire la structure tridimensionnelle des cellules nerveuses et, d’autre part, nous essayons également de reproduire leurs fonctions, par exemple le traitement et le stockage de l’information. »
Les biopolymères utilisés dans la rétine artificielle se sont révélés être un matériau de départ approprié. « Nous pouvons les utiliser pour reproduire la structure ramifiée des cellules nerveuses humaines avec leurs nombreuses dendrites. On peut l’imaginer un peu comme un arbre », explique le scientifique. Ceci est important car les cellules réelles préfèrent ces structures tridimensionnelles ramifiées pour lisser les surfaces et établir ainsi des contacts étroits avec les structures artificielles.
Premièrement, les différentes biopuces peuvent être utilisées pour étudier de vrais neurones – par exemple l’échange cellulaire d’informations. Deuxièmement, Santoro et son équipe espèrent pouvoir un jour utiliser leurs composants pour intervenir activement dans les voies de communication des cellules afin de déclencher certains effets. Par exemple, Santoro pense ici à corriger les erreurs de traitement et de transmission de l’information qui surviennent dans les maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson ou Alzheimer maladie ou d’organes de soutien qui ne fonctionnent plus correctement. De tels composants pourraient également servir d’interface entre des membres ou des articulations artificielles.
La technologie informatique pourrait également en bénéficier. En raison de leurs propriétés, les puces sont prédestinées à servir de matériel pour les réseaux neuronaux artificiels. Jusqu’à présent, les programmes d’IA fonctionnent encore avec des processeurs classiques qui ne peuvent pas adapter leur structure. Ils imitent simplement le principe de fonctionnement de l’auto-apprentissage consistant à modifier les réseaux neuronaux au moyen d’un logiciel sophistiqué. C’est très inefficace. Les neurones artificiels pourraient remédier à cette lacune : « Ils permettraient de mettre en place une technologie informatique qui imite le fonctionnement du cerveau à tous les niveaux », explique Santoro.
