La microélectronique éclaire le comportement neuronal
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé - en collaboration avec des collègues de l'EPF Lausanne et de la Harvard Medical School - un système permettant de stimuler optiquement des faisceaux de nerfs individuels chez des souris vivantes. Et démontré ainsi que le système nerveux agit directement sur le système immunitaire.
Au cours des dix dernières années, une nouvelle méthode a littéralement apporté plus de lumière dans le cerveau : ce que l'on appelle l'optogénétique permet d'exciter de manière ciblée des cellules nerveuses génétiquement modifiées et d'étudier en détail leurs fonctions dans le réseau complexe à l'intérieur du cr?ne. Cette technique représente une révolution dans le domaine des neurosciences, mais jusqu'à présent, elle ne pouvait être utilisée que pour l'étude du système nerveux central. Le système nerveux périphérique restait à l'écart.
La miniaturisation gr?ce à la technologie des puces
Aujourd'hui, une équipe d'électrotechniciens dirigée par Qiuting Huang, professeur à l'Institut des systèmes intégrés de l'ETH Zurich, a con?u, en collaboration avec des chercheurs de l'EPF Lausanne et de la Harvard Medical School, un système qui relie des diodes électroluminescentes (LED) implantables à un minuscule appareil porté sur la tête, qui peut à son tour être commandé via Bluetooth à partir d'une tablette. Ils ont ainsi pu stimuler de manière très précise des faisceaux de nerfs individuels dans le corps de souris se dépla?ant librement, comme l'expliquent les scientifiques dans la revue spécialisée Nature Biotechnology rapporter.
"Notre objectif était de développer une plateforme intégrée aussi petite que possible. La puce, la batterie et l'antenne pour la transmission de signaux sans fil ne pèsent ensemble qu'un peu plus d'un gramme - et sont plus petits qu'un centimètre cube", explique Huang. Alors que la technologie des puces permet des densités d'intégration élevées pour les circuits électroniques, la miniaturisation se heurte à des limites, surtout pour les batteries : plus le volume est petit, plus la densité énergétique est élevée. Le risque que la batterie prenne feu augmente donc également. "C'est pourquoi nous misons sur des composants qui consomment le moins d'énergie possible", explique Huang.
? l'origine, ils auraient con?u leur plateforme pour un projet de mesure de la saturation en oxygène et de la pression artérielle, mais dès le début, ils auraient veillé à ce que la puce soit utilisable le plus largement possible. "Comme notre système est programmable, nous avons pu transformer les circuits électroniques que nous avions prévus à l'époque pour le calcul de la saturation en oxygène du sang en une commande des diodes lumineuses implantées", explique Philipp Sch?nle. Pour sa thèse de doctorat, il a participé de manière déterminante au développement de la nouvelle neurotechnologie dans le groupe de Huang.
Comme faits l'un pour l'autre
Le site page externeCollaboration avec le groupe de Stéphanie Lacour à l'EPF de Lausanne dure déjà depuis plus de cinq ans. "Notre électronique sophistiquée et ses capteurs bioélectroniques souples sont faits l'un pour l'autre", estime Huang. Les progrès réalisés dans la science et l'ingénierie des matériaux et dans l'électrotechnique s'appuient l'un sur l'autre - et s'imbriquent. "Ensemble, nous avons développé une approche qui permet de mettre en éveil n'importe quel cordon nerveux dans le corps de la souris à des moments bien précis", explique Sch?nle.
? la Harvard Medical School de Boston, le groupe de recherche de Clifford Woolf a enroulé les implants autour du nerf sciatique. Sans endommager le nerf, ils ont pu activer de manière répétée pendant plusieurs jours, à l'aide de flashs de lumière bleue, des cellules nerveuses spécifiques, appelées nocicepteurs, spécialisées dans la transmission des signaux de douleur. Les chercheurs ont été surpris de constater que la stimulation optique répétée de ces nocicepteurs avait généré une légère rougeur dans la patte arrière de la souris, un signe évident d'inflammation.
Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient que la douleur et l'inflammation étaient deux processus distincts, qui se produisaient indépendamment l'un de l'autre. "Mais maintenant, nous avons pu démontrer clairement que les neurones responsables de la sensation de douleur peuvent également provoquer une réponse immunitaire inflammatoire", explique Woolf. Les résultats ont donc le potentiel de montrer la voie à de nouvelles approches, par exemple pour le traitement des douleurs chroniques ou des inflammations persistantes, constatent les chercheurs dans leur article.
La valeur de l'électronique pour la santé
A l'avenir, l'électrotechnique devrait contribuer de plus en plus à la santé des gens, estime Huang. Dans les milieux spécialisés, le mot "electroceuticals", la combinaison de l'électronique et des produits pharmaceutiques, fait déjà le tour du monde. Mais aujourd'hui, alors qu'une grande partie de l'humanité dispose de smartphones très complexes mais néanmoins bon marché, on oublie malheureusement trop souvent que les progrès en électrotechnique ne peuvent être réalisés qu'au prix de très gros efforts. "On accorde souvent trop peu d'estime à ce travail de développement laborieux et minutieux", déclare Huang.
Référence bibliographique
Michoud F, Seehus C, Sch?nle P, Brun N, Taub D, Zhang Z, Jain A, FurfaroI, Akouissi O, Moon R, Meier P, Galan K, Doyle B, Tetreault M, Talbot S, Browne LE, Huang Q, Woolf CJ, Lacour SP. L'activation optogénétique épineurale de nocicepteurs initie et amplifie l'inflammation. Nature Biotechnology(2020). doi : page externe10.1038/s41587-020-0673-2.