Les signaux du cerveau humain enregistrés avec une résolution record par de nouvelles grilles de capteurs

Un nouveau réseau de capteurs cérébraux peut enregistrer les signaux électriques directement à partir de la surface du cerveau humain avec une précision record. Les nouveaux capteurs cérébraux sont constitués de grilles fines, flexibles et densément emballées de 1024 ou 2048 capteurs d’électrocorticographie (ECoG) intégrés. Crédit : David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

Les enregistrements à haute résolution des signaux électriques de la surface du cerveau pourraient améliorer la capacité des chirurgiens à retirer les tumeurs cérébrales et à traiter l’épilepsie, et pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour les interfaces cerveau-ordinateur à moyen et long terme.

Une équipe d’ingénieurs, de chirurgiens et de chercheurs médicaux a publié des données provenant d’humains et de rats démontrant qu’un nouveau réseau de capteurs cérébraux peut enregistrer des signaux électriques directement à partir de la surface du cerveau humain avec un niveau de détail record. Les nouveaux capteurs cérébraux sont constitués de grilles très denses de 1024 ou 2048 capteurs d’électrocorticographie (ECoG) intégrés. L’article a été publié dans la revue Science Translational Medicine le 19 janvier 2022.

Ces grilles fines et souples de capteurs ECoG, si elles sont approuvées pour un usage clinique, offriront aux chirurgiens des informations sur les signaux cérébraux provenant directement de la surface du cortex cérébral avec une résolution 100 fois supérieure à ce qui est disponible aujourd’hui. L’accès à cette perspective très détaillée sur les zones spécifiques du tissu à la surface du cerveau, ou cortex cérébral, qui sont actives, et à quel moment, pourrait fournir de meilleurs conseils pour la planification des opérations chirurgicales visant à enlever les tumeurs cérébrales et à traiter chirurgicalement l’épilepsie résistante aux médicaments.

À plus long terme, l’équipe travaille sur des versions sans fil de ces grilles d’ECoG haute résolution qui pourraient être utilisées pour une surveillance du cerveau pendant 30 jours pour les personnes souffrant d’épilepsie réfractaire. La technologie présente également un potentiel d’implantation permanente pour améliorer la qualité de vie des personnes atteintes de paralysie ou d’autres maladies neurodégénératives pouvant être traitées par stimulation électrique, comme la maladie de Parkinson, le tremblement essentiel et le trouble neurologique du mouvement appelé dystonie.

Le projet est dirigé par Shadi Dayeh, professeur d’ingénierie électrique à la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie à San Diego. L’équipe d’ingénieurs, de chirurgiens et de chercheurs médicaux vient de l’UC San Diego, du Massachusetts General Hospital et de l’Oregon Health & ; Science University.

Électrocorticographie de nouvelle génération

L’enregistrement de l’activité cérébrale à partir de grilles de capteurs placés directement à la surface du cerveau – l’électrocorticographie (ECoG) – est déjà couramment utilisé comme outil par les chirurgiens qui pratiquent des interventions pour enlever des tumeurs cérébrales et traiter l’épilepsie chez les personnes qui ne répondent pas aux médicaments ou aux autres traitements. Les nouveaux travaux en Science Translational Medicine fournissent un large éventail de données évaluées par des pairs démontrant que des grilles comportant 1 024 ou 2 048 capteurs peuvent être utilisées pour enregistrer et traiter de manière fiable des signaux électriques directement à partir de la surface du cerveau, tant chez l’homme que chez le rat. À titre de comparaison, les grilles d’ECoG les plus couramment utilisées aujourd’hui en chirurgie comportent généralement entre 16 et 64 capteurs, bien que des grilles de qualité recherche à 256 capteurs puissent être fabriquées sur mesure.

La possibilité d’enregistrer les signaux cérébraux à une résolution aussi élevée pourrait améliorer la capacité des chirurgiens à retirer la plus grande partie possible d’une tumeur cérébrale tout en minimisant les dommages aux tissus cérébraux sains. Dans le cas de l’épilepsie, la capacité d’enregistrement des signaux cérébraux à haute résolution pourrait améliorer la capacité du chirurgien à identifier précisément les régions du cerveau d’où proviennent les crises d’épilepsie, de sorte que ces régions puissent être enlevées sans toucher les régions cérébrales voisines non impliquées dans le déclenchement des crises. De cette façon, ces grilles à haute résolution peuvent améliorer la préservation du tissu cérébral normal et fonctionnel.

La démonstration du bon fonctionnement des grilles d’ECoG dotées de milliers de capteurs ouvre également de nouvelles perspectives aux neurosciences pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau humain. Les progrès de la science fondamentale pourraient à leur tour conduire à de meilleurs traitements fondés sur une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau.fonction.

Un nouveau réseau de capteurs cérébraux peut enregistrer les signaux électriques directement à partir de la surface du cerveau humain avec une précision record. Les nouveaux capteurs cérébraux sont constitués de grilles fines, flexibles et densément emballées de 1024 ou 2048 capteurs d’électrocorticographie (ECoG) intégrés. Crédit : David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

Espacement d’un millimètre contre un centimètre

L’enregistrement des signaux cérébraux à une résolution plus élevée est attribuable à la capacité de l’équipe à placer les capteurs individuels beaucoup plus près les uns des autres sans créer d’interférences problématiques entre les capteurs proches. Par exemple, la grille de trois centimètres sur trois centimètres de l’équipe, composée de 1024 capteurs, a permis d’enregistrer des signaux directement à partir du tissu cérébral de 19 personnes qui ont accepté de participer à ce projet pendant le “temps mort” de leurs opérations cérébrales déjà programmées, liées à un cancer ou à une épilepsie. Dans cette configuration en grille, les capteurs sont distants d’un millimètre les uns des autres. En revanche, les grilles d’ECoG déjà approuvées pour un usage clinique comportent généralement des capteurs espacés d’un centimètre. Les nouvelles grilles disposent ainsi de 100 capteurs par unité de surface, contre 1 capteur par unité de surface pour les grilles utilisées en clinique, ce qui offre une résolution spatiale 100 fois supérieure pour l’interprétation des signaux cérébraux.

Capteurs fabriqués avec des nano-bâtonnets de platine

Si l’utilisation de capteurs à base de platine pour enregistrer l’activité électrique des neurones du cerveau n’est pas nouvelle, l’équipe de recherche utilise le platine d’une manière inédite : des tiges de platine de taille nanométrique. La forme des nanobâtonnets offre une plus grande surface de détection que les capteurs plats en platine, ce qui contribue à rendre les capteurs plus sensibles. Le système de détection est basé sur le fait que le nombre d’électrons dans les nano-bâtonnets de platine change en réponse au déclenchement des neurones dans le cerveau.

Les ions chargés entrent et sortent d’un neurone lorsqu’il fonctionne. Ce mouvement d’ions chargés entraîne des modifications du potentiel de tension dans le liquide céphalo-rachidien dans lequel baignent les neurones. Ces changements de potentiel de tension dans le tissu cérébral et le liquide céphalo-rachidien modifient le nombre d’électrons dans les nanobâtonnets de platine par des processus de filtrage de charge. De cette façon, le tir des neurones à la surface ou près de la surface du cortex cérébral est enregistré par les nanorods de platine en temps quasi réel et avec une grande précision.

Grilles de capteurs minces et pliables de différentes tailles.

Le cerveau humain est toujours en mouvement. À chaque battement de cœur, par exemple, le cerveau se déplace avec les pulsations du sang qui le traverse. Les grilles de capteurs à base de nano-bâtonnets de platine sont plus fines et plus flexibles que les grilles d’ECoG actuelles approuvées en clinique. Cette finesse et cette flexibilité permettent aux grilles du capteur de se déplacer avec le cerveau, ce qui permet une connexion plus étroite et de meilleures lectures. En outre, les grilles sont fabriquées avec de petits trous en forme d’anneau qui permettent le passage du liquide céphalo-rachidien. Ainsi, ces trous de perfusion favorisent une meilleure interface entre la grille du capteur et la surface du cerveau en permettant au capteur de déplacer facilement et en toute sécurité le fluide.

Les nouvelles grilles de capteurs cérébraux à nanotubes de platine ont une épaisseur de dix micromètres, soit environ un dixième de la taille d’un cheveu humain, et sont 100 fois plus fines que les grilles d’ECoG d’un millimètre d’épaisseur, cliniquement approuvées. Les nano-bâtonnets sont intégrés dans un matériau biocompatible transparent, souple et flexible, le parylène, qui est en contact direct avec la surface du cerveau. Les signaux électriques partent du cerveau, traversent le liquide céphalo-rachidien et atteignent les surfaces exposées des nano-bâtonnets de platine qui sont encastrés dans le parylène. Cette conception permet d’obtenir une grille de capteur qui forme une connexion étroite et stable avec la surface du cerveau, améliorant ainsi la qualité du signal.

Le processus de fabrication utilisé permet également une grande variété de tailles et de formes, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour une couverture corticale plus importante et plus personnalisée. La collecte simultanée de signaux provenant de plus grandes zones du cerveau pourrait permettre de percer davantage de mystères.

Grâce à une collaboration étroite entre les ingénieurs dirigés par le professeur d’ingénierie électrique Dayeh de l’UC San Diego et les cliniciens dirigés par le neurochirurgien Ahmed Raslan de l’Oregon Health & Science University, l’équipe a mis en œuvre des améliorations de conception spécifiquement destinées à un usage clinique. Par exemple, des grilles de capteurs personnalisées peuvent être imprimées avec des trous spécialisés qui permettent aux chirurgiens d’insérer des sondes exactement au bon endroit et d’appliquer une stimulation électrique directement sur le tissu cérébral à des endroits spécifiques. Dans le but d’obtenir l’approbation de grilles d’ECoG à plus haute résolution pour un usage clinique, Dayeh, Raslan et le coauteur Youngbin Tchoe ont cofondé une startup appeléePrecision Neurotek Inc.

Un nouveau réseau de capteurs cérébraux peut enregistrer des signaux électriques directement à partir de la surface du cerveau humain avec une précision record. Les nouveaux capteurs cérébraux sont constitués de grilles fines, flexibles et densément emballées de 1024 ou 2048 capteurs d’électrocorticographie (ECoG) intégrés. Crédit : David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

Cartographie fonctionnelle plus précise

L’un des défis de l’ablation des tumeurs cérébrales est que la présence de la tumeur déclenche des changements dans le cerveau, notamment en modifiant quelles zones du cerveau sont impliquées dans quelles fonctions. Ces changements font qu’il est essentiel pour l’équipe chirurgicale de dresser une carte personnalisée du cerveau du patient – des “cartes fonctionnelles” – afin de décider où couper et où ne pas couper tout en enlevant le plus possible de la tumeur.

Les auteurs de l’étude Science Translational Medicine ont démontré que ces cartes fonctionnelles peuvent être rendues extrêmement précises grâce à leurs capteurs ECoG à nano-barre de platine. En particulier, l’équipe a développé des cartes fonctionnelles chez quatre personnes différentes d’une limite du cerveau appelée le sillon central. Le sillon central sépare le cortex somatomoteur du cortex somatosensoriel du cerveau. Chez ces quatre personnes, les chercheurs ont placé les grilles de nano-barreaux en platine sur les surfaces du cerveau des sujets et leur ont demandé d’effectuer un certain nombre d’activités, dont la préhension de la main. Grâce à ces informations, les chercheurs ont pu reconstituer l’emplacement réel de ce point de repère clé dans le cerveau, ainsi que les corrélats neuronaux dans le cerveau qui correspondent à la sensation des doigts et à la préhension de la main. Les résultats obtenus à l’aide des grilles de nano-bâtonnets en platine étaient conformes aux résultats obtenus à l’aide des grilles ECoG de plus faible résolution déjà approuvées pour un usage clinique, mais avec plus de précision quant à l’emplacement exact de cette frontière fonctionnelle critique entre le cortex somatomoteur et le cortex somatosensoriel. La nouvelle limite fonctionnelle curviligne unique au cerveau de chaque patient est supérieure à la limite linéaire et souvent extrapolée qui est déterminée à partir des grilles cliniques actuelles espacées d’un centimètre.

Perspectives des neurosciences

Certaines des données récemment publiées par l’équipe, issues d’études sur des rats, démontrent également l’utilité des grilles pour ouvrir de nouvelles voies dans la recherche fondamentale en neurosciences. Le site Science Translational Medicine comprend, par exemple, ce que les chercheurs considèrent comme la première cartographie d’une colonne corticale chez le rat à partir d’enregistrements de la surface du cerveau. Dans le passé, la cartographie des colonnes corticales n’a été réalisée qu’en plaçant une aiguille individuelle à la surface du cerveau et en procédant à une stimulation électrique séquentielle et au déplacement de l’aiguille sur la surface du cerveau. De manière plus générale, le fait que les grilles de nano-bâtonnets en platine fournissent des données à haute résolution à la fois dans le temps et dans l’espace ouvre de nombreuses possibilités pour découvrir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement du cerveau.

Une autre observation rendue possible par les nouvelles grilles est la découverte simultanée des ondes cérébrales courtes et locales ainsi que des ondes cérébrales longues et larges associées aux fonctions cérébrales. Cette image hautement spatiale et variable dans le temps (dynamique) de l’activité cérébrale a été documentée dans plusieurs films supplémentaires associés à l’étude de l’IRM. Science Translational Medicine et a été utilisée pour interpréter le mouvement de la main d’une nouvelle manière en utilisant les modèles d’ondes cérébrales.

Prochaines étapes

L’équipe travaille sur une série d’initiatives en parallèle pour faire progresser ces grilles afin qu’elles puissent être examinées pour une utilisation à court, moyen et long terme. Par exemple, l’équipe, dirigée par Shadi Dayeh, professeur d’ingénierie électrique à l’UC San Diego, a reçu une bourse de recherche de l’Union européenne. 12,25 millions de dollars de subvention du NIH visant à développer le système de détection au point que la prochaine étape sera un essai clinique pour les personnes souffrant d’épilepsie résistante au traitement. Cette subvention finance également les efforts visant à rendre le système sans fil, ce qui serait important pour une utilisation à moyen et long terme.

Référence : “Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics” 19 janvier 2022, Science Translational Medicine.

Collaborations

Le projet est dirigé par Shadi Dayeh, professeur de génie électrique à la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie à San Diego. L’équipe d’ingénieurs, de chirurgiens et de chercheurs médicaux vient de l’UC San Diego, du Massachusetts General Hospital et de l’Oregon Health & ; Science University, où la majorité des chirurgies humaines ont été réalisées par le professeur de neurochirurgie Ahmed Raslan. Outre la collaboration entre Dayeh et Raslan, le développement des grilles s’est étendu sur plusieurs années.de nombreuses années de collaboration entre Dayeh et des partenaires cliniques, sous la direction de Daniel Cleary de l’UC San Diego, et d’Angelique Paulk et Jimmy Yang du Massachusetts General Hospital, et sous la supervision de Sharona Ben-Haim et Eric Halgren de l’UC San Diego et de Sydney Cash du Massachusetts General Hospital, et de Brittany Stedelin de l’Oregon Health & ; Science University sous la supervision de Raslan. La mise à l’échelle des grilles et de leurs interconnexions a été menée par Youngbin Tchoe, boursier postdoctoral de Dayeh, et Andrew Bourhis, étudiant diplômé, qui est co-encadré par Dayeh et Ian Galton de l’UC San Diego.

Transfert de technologie

UC San Diego a déposé plusieurs demandes de brevet sur la fabrication des grilles PtNR à plusieurs milliers de canaux. Shadi Dayeh, Ahmed Raslan et Youngbin Tchoe ont cofondé Precision Neurotech Inc. pour soutenir la commercialisation des PtNRGrids.

Financement

Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health Awards No. NBIB DP2-EB029757, NINDS R01NS123655-01, NINDS UG3NS123723-01 et NIDA R01-DA050159 et les National Science Foundation (NSF) Awards No. 1728497 et CAREER No. 1351980 à S.A.D., bourse postdoctorale F32 à D.C. prix # MH120886-01, et un programme de bourses de recherche pour les diplômés de la NSF No. DGE-1650112 à A.M.B.

Auteurs et institutions

Co-Premiers auteurs

Youngbin Tchoe, Andrew M. Bourhis et Daniel R. Cleary du Laboratoire d’électronique intégrée et de biointerfaces, Département d’ingénierie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie à San Diego. Daniel Cleary est un médecin et docteur en médecine dont le poste principal est au département de chirurgie neurologique de l’UC San Diego Health.

Auteur correspondant

Shadi A. Dayeh, qui dirige le laboratoire d’électronique intégrée et de biointerfaces du département d’ingénierie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie San Diego.

Liste complète des auteurs de l’article (par institution)

Université de Californie San Diego
Youngbin Tchoe, Andrew M. Bourhis, Daniel R. Cleary, Jihwan Lee, Karen J. Tonsfeldt, Hongseok Oh, Yun Goo Ro, Keundong Lee, Samantha Russman, Mehran Ganji, Ian Galton, Sharona Ben-Haim, and Shadi A. Dayeh

Université de la santé et des sciences de l’Oregon
Brittany Stedelin, Erik C. Brown, Dominic Siler et Ahmed M. Raslan

Hôpital général du Massachusetts
Angelique C. Paulk, et Jimmy C. Yang