Un nouveau développement permet d’implanter des implants cérébraux de niveau supérieur

Les chercheurs révolutionnent les interfaces cerveau-ordinateur à l’aide de l’électronique au silicium

Dans le nouveau projet DARPA, les chercheurs exploitent les dernières technologies dans l’électronique au silicium pour inventer un dispositif d’interface neuronale implantable qui pourrait transformer la façon dont les systèmes artificiels améliorent les fonctions du cerveau.

Aujourd’hui, les dispositifs d’électrodes implantées pour stimuler le cerveau sont des dispositifs extrêmement grossiers avec une poignée d’électrodes qui sont utilisées pour atténuer les effets de la maladie de Parkinson, de l’épilepsie et d’autres affections neurodégénératives. Le nombre de patients avec ces dispositifs représente seulement des dizaines de milliers en raison de l’extrême invasivité du processus d’implantation et de la grande taille du dispositif implanté. L’invention d’un dispositif d’implant moins invasif avec de nombreux autres canaux qui peuvent interagir avec le cerveau entraînerait des améliorations révolutionnaires dans les interfaces cerveau-machine, y compris les interfaces directes avec le cortex auditif et le cortex visuel, en augmentant de manière spectaculaire la façon dont les systèmes artificiels peuvent prendre en charge la fonction cérébrale.

A flexible multielectrode array designed by Shepard and his team. If successful, this noninvasive device could alter the lives of people with hearing and visual impairments and neurodegenerative diseases. Credit: Ken Shepard

Grâce à une nouvelle subvention de 15,8 millions de dollars sur quatre ans de l’Agence pour les projets de recherche avancée de défense (DARPA) du département de la Défense des États-Unis (United States Department of Defense, abrégé par DoD), le professeur de Columbia Engineering, Ken Shepard, pionnier dans le développement de l’électronique qui interfère avec les systèmes biologiques, dirige une équipe pour faire exactement cela : inventez un dispositif d’interface neuronale implantable qui pourrait transformer la vie de personnes atteintes de maladies neurodégénératives ou de personnes qui ont une déficience visuelle et auditive.

“Ce sujet a attiré beaucoup d’intérêt venant du secteur privé, y compris les start-up Neuralink et Kernel”, explique Shepard, professeur de génie électrique et d’ingénierie biomédical à Columbia Engineering. “Si nous réussissons, la petite taille et l’échelle massive de cet appareil pourraient donner la possibilité pour des interfaces transformationnelles au cerveau y compris des interfaces directes avec le cortex visuel qui permettraient aux patients qui ont perdu leur vue de discriminer des modèles complexes à des résolutions sans précédent. Il s’agit d’un projet très ambitieux pour Columbia, en effet pour nous tous, et nous sommes très heureux d’aborder une question aussi difficile.”

Un implant cérébral se connectera avec 1 million de neurones

Le projet de Shepard se trouve dans le programme de R&D, Neural Engineering System Design (NESDconception de système d’ingénierie de neurones), une partie du plus grand programme de recherche du gouvernement fédéral : l’initiative BRAIN (BRAIN Initiative : Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies – aussi appelé Brain Activity Map Project). NESD vise à développer une interface neuronale implantable qui peut fournir une résolution de signal sans précédent et une bande passante de transfert de données entre le cerveau et le monde numérique. L’équipe de Shepard comprend des chercheurs d’institutions de premier plan comme Baylor College of Medicine, California Institute of Technology, Duke University, New York University, Northwestern et Medtronic. À Columbia, le projet comprend Rafael Yuste (professeur de sciences biologiques et neurosciences, arts et sciences), Liam Paninski (professeur de statistique et de neurosciences, arts et sciences) et Luca Carloni (professeur d’informatique, ingénierie). L’équipe est axée sur la réalisation des objectifs NESD pour concevoir un dispositif d’interface neuronale implantable à l’échelle d’un million de canaux pour permettre l’enregistrement et la stimulation du cortex sensoriel. En outre, ils prévoient de demander l’approbation réglementaire pour commencer les expériences chez l’homme à la fin du programme de quatre ans.

Les scientifiques commencent à travailler sur l’ingénierie inverse du cerveau

“C’est un calendrier très agressif”, note Shepard. “Nous pensons que le seul moyen d’y parvenir est d’utiliser une approche tout électrique qui implique un réseau d’enregistrement de surface massif avec plus d’un million d’électrodes fabriquées comme un dispositif monolithique sur un seul circuit intégré complémentaire en oxyde de métal-semiconducteur (CMOS). Nous travaillons avec Taiwan Semiconductor Manufacturing Company comme notre partenaire de fonderie”.

Compte tenu de la complexité et de l’ampleur des interfaces requises, Shepard et son équipe croient que le degré de non-invasion requis pour l’utilisation humaine dans ce délai agressif ne peut être réalisé qu’avec des architectures d’électrodes basées sur la stimulation et l’enregistrement sur la surface du cerveau. Bien que son approche soit fondée sur la pratique clinique humaine actuelle avec des matrices d’enregistrement en surface, la grande échelle et les exigences du programme NESD nécessitent un écart dramatique par rapport aux approches électriques antérieures des interfaces cerveau. Shepard croit que l’obtention de l’échelle requise pour NESD n’est possible que si son équipe exploite toutes les fonctionnalités de la technologie de pointe CMOS, ainsi que les capacités de fabrication associées de l’industrie, et utilise l’intégration monolithique des électrodes de stimulation/enregistrement avec une plate-forme électronique CMOS sous-jacente.

Les puces implantées sont ultra-conformes à la surface du cerveau, très légères et suffisamment souples pour se déplacer avec le tissu. La puce ne pénètre pas dans le tissu cérébral et utilise l’alimentation sans fil et la télémétrie de données.En utilisant l’état de l’art dans la nanoélectronique au silicium et l’appliquant de manière inhabituelle, nous espérons avoir un impact important sur les interfaces cerveau-ordinateur”, déclare Shepard.Nous avons réuni une équipe de classe mondiale pour traduire nos efforts à des fins humaines à la fin de ce programme”.

Columbia University School of Engineering and Applied Science

* interface neuronale directe – aussi appelée IND ou BCI ou encore ICM (brain-computer interface : interface cerveau-machine, ou encore interface cerveau-ordinateur)

Des lasers faits de sang humain pourraient révolutionner la détection de cancers

Alfred Pasieka/SPL

Les optofluidiques (ou fluides optiques), qui incluent l’utilisation de lasers, ne constituent pas une nouvelle technologie. En effet, cela consiste en l’application d’une certaine lumière sur un liquide qui sert d’amplificateur, projeté sur une cavité réfléchissante. Et cette technologie est souvent utilisée dans la recherche médicale et la chirurgie, tels que les infrarouges dans les processus de scan et d’imagerie.

Un groupe de chercheurs a réfléchi à un moyen d’affiner cette technologie, en produisant des lasers faits de sang humain.

Le sang humain et un mélange d’agents de contraste (diacétate de fluorescéine) approuvé par la FDA appelé indocyanine green (ICG ou vert d’indocyanine) ont fait toute la différence. L’ICG est utilisé depuis des décennies dans l’imagerie des vaisseaux sanguins rétiniens (imaging retinal blood vessels) en ophtalmologie. Mais en l’absence de sang, « ça ne fonctionne pas du tout » déclare Xudong (Sherman) Fan, lors d’un entretien pour le New Scientist. Fan est Professeur d’ingénierie biomédicale à l’Université du Michigan.

Le chercheur a réalisé l’expérience suivante. Il a éclairé un cylindre réflecteur contenant un mélange de sang humain et d’ICG, comme composé amplificateur, avec une source de lumière infrarouge. Le résultat fut brillant. Le sang s’est mis à briller sous l’effet de la lumière, du fait de la présence d’ICG qui émet de la lumière lorsqu’il est associé à des protéines contenues dans le plasma.

Grâce à cette lumière réfléchie, les chercheurs ont pu observer les structures des cellules et les modifications microscopiques du sang à l’échelle moléculaire. La fluorescence résultante a permis d’obtenir une image de meilleure qualité que les techniques utilisées à l’heure actuelle. Etant donné que l’ICG réagit bien en présence de sang, les tissus riches en sang – tels que les tumeurs – brilleront d’autant plus.

Une fois que cette technologie aura été suffisamment affinée pour être utilisée sur des humains, elle sera particulièrement utile dans la détection précoce de cancers. « Au final, nous testerons cette technologie sur le corps humain » affirme Fan, mais ils assurent que le rayonnement du laser est en dessous des limites autorisées en matière de sécurité. « Personne ne veut que le tissu traité soit brûlé ».

traduction Virginie Bouetel

Futurism, ScienceAlert – Latest, New Scientist, OSA Publishing

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Un microscope utilise l’IA pour trouver les cellules cancéreuses

Un nouveau microscope, mis au point par des chercheurs de l’UCLA, utilise l’intelligence artificielle pour détecter les cellules cancéreuses dans des échantillons de sang. Plus rapide et plus précis que les techniques contemporaines, il peut analyser 36 millions d’images par seconde sans endommager les échantillons de sang.

Photonic time stretch microscope, Tunde Akinloye/CNSI

Le dispositif utilise quelque chose appelé « photonic time stretch » étirement temporel photonique et le deep learning.

Le microscope prend des photos de cellules sanguines à l’aide de lasers clignotants. Aux côtés des optiques qui stimulent la clarté dans les images, le nouveau microscope peut suivre des informations autrefois impossibles. Ensuite, l’IA utilise l’apprentissage profond (deep learning) pour distinguer la différence entre la bonne santé et le cancer criblé de globules blancs.

Le temps photonique étire les cellules d’images du microscope sans leur causer de dommages et peut identifier plus de deux douzaines de caractéristiques physiques, y compris : la biomasse, la granularité et la taille.

La méthode d’étirement temporel photonique promet de repérer les cellules cancéreuses dès le départ, permettant un traitement plus rapide pour arrêter la propagation. Un diagnostic basé sur des données, améliore la disponibilité de nouveaux traitements et diagnostics.

L’étude a été publiée dans la revue Nature Scientific Reports.

Science News Journal

Un implant cérébral se connectera avec 1 million de neurones

La Défense Advanced Research Projects Agency (DARPA) annonce un nouveau programme de R&D, Neural Engineering System Design (NESDconception de système d’ingénierie de neurones). Ce programme vise à développer une interface neuronale implantable en mesure de fournir une résolution de signal sans précédent et de bande passante de transfert de données entre le cerveau humain et le monde numérique. L’interface pourrait servir de traducteur, de conversion entre la langue électrochimique utilisée par les neurones dans le cerveau et les uns et les zéros que constituent le langage informatique. Un lien de communication serait réalisé dans un dispositif biocompatible ne dépassant pas un centimètre cube.

Le programme peut améliorer considérablement les capacités de recherche en neuro-technologie et fournir une base pour de nouvelles thérapies.

« Les meilleurs systèmes d’interface cerveau-ordinateur d’aujourd’hui sont comme deux superordinateurs essayant de se parler à l’aide d’un vieux modem de 300 bauds, » dit Phillip Alvelda, gestionnaire de programme NESD. « Imaginez ce qui va devenir possible lorsque nous améliorons nos outils pour vraiment ouvrir le canal entre le cerveau humain et l’électronique moderne. »

Les applications potentielles du programme sont des dispositifs qui pourraient compenser les déficits de la vue ou de l’audition, en introduisant l’information auditive ou visuelle numérique dans le cerveau à une résolution et à une qualité empirique bien plus élevé qu’avec la technologie actuelle.

Les interfaces neurales actuellement approuvées pour l’usage humain compressent une énorme quantité d’informations par le biais de seulement 100 canaux, chaque canal agrégeant des signaux provenant de quelques dizaines de milliers de neurones à la fois. Le résultat est bruyant et imprécis. En revanche, le programme NESD vise à développer des systèmes qui communiquent clairement et individuellement avec n’importe lequel et jusqu’à 1 million de neurones dans une région donnée du cerveau.

Pour atteindre ces objectifs ambitieux et s’assurer que le programme est pratique en dehors d’un contexte de recherche, cela nécessitera des percées pour intégrer de nombreuses disciplines y compris la neuroscience, la biologie synthétique, l’électronique de basse puissance, la photonique, le conditionnement des dispositifs médicaux et de la fabrication, les systèmes d’ingénierie, et les essais cliniques. En plus des défis matériels du programme, les chercheurs de NESD seront tenus d’élaborer (de développer) des techniques mathématiques et de neuro-calcul avancées, pour d’abord transcoder l’information sensorielle à haute définition entre les représentations de neurones corticaux et électroniques et puis compresser et représenter ces données avec un minimum de perte de fidélité et de fonctionnalité.

Le programme NESD vise à recruter un éventail diversifié d’éminents intervenants de l’industrie désireux d’offrir à l’état de l’art des services de prototypage et de fabrication et la propriété intellectuelle aux chercheurs de NESD sur une base pré-concurrentielle. Dans les phases ultérieures du programme, ces partenaires pourraient aider à la transition des technologies qui en résultent dans les espaces recherche et les applications commerciales. DARPA investira jusqu’à $ 60 millions dans le programme NESD sur quatre ans.

Source : Darpa

Pour en savoir plus :
Neural Engineering System Design (NESD)
DARPA-SN-16-17 Neural Engineering System Design (NESD)
Neural Engineering System Design
DARPA et l’Initiative du cerveau