Prothèses du cerveau : la nouvelle génération passe par la synchronisation

Pour être efficaces, les prochaines prothèses de cerveau devront arriver à faire dialoguer entre eux et en temps réel, neurones artificiels et naturels. Un immense écueil qui est pourtant en passe d’être surmonté.

Réparer une zone endommagée du cerveau, et ainsi supprimer ses conséquences (paralysie, tétraplégie, etc.), passe par deux grandes voies : la greffe de neurones et la prothèse neuronale. Pour cette dernière, de nombreux défis restent à relever.

Dans un passionnant article de vulgarisation de leurs recherches, le français Timothée Levi et son confère italien Paolo Bonifazi détaillent justement les limitations de la prothèse de cerveau. Surtout, ces deux experts en bioélectronique expliquent que ces frontières sont en voie d’être dépassées, même si le chemin à parcourir reste long.

Des neurones artificiels encore trop lents

Première difficulté pour les chercheurs : arriver à un échange entre neurones artificiels et neurones biologiques. La seconde, que cette communication se fasse en temps réel. C’est-à-dire en une ou deux millisecondes, le temps que mettent les neurones biologiques pour traiter une information.

« Il est donc nécessaire que le système artificiel réponde avec un délai inférieur à une milliseconde. » Or, les réseaux de neurones artificiels simulés sur ordinateurs travaillent en minutes, loin du temps biologique.

La lumière à la rescousse

La solution ? Tout d’abord, implémenter ces neurones artificiels sur une puce électronique pour un fonctionnement en temps réel, avec une faible consommation d’énergie. Reste ensuite à établir une communication plus précise entre vivant et artificiel. Les scientifiques y sont arrivés grâce à l’emploi de l’optogénétique, technique associant optique et génie génétique.

Elle consiste ainsi à modifier génétiquement des neurones pour les rendre sensibles à la lumière (photosensibles). De la sorte, une lumière bleue les active alors qu’une lumière rouge les inhibe. « L’intérêt de notre système ? Un transfert d’informations bien plus rapide et exactequ’avec une neuroprothèse électrique. La stimulation optique se fait sur environ un micron, surface semblable à la taille d’un neurone biologique. »

Neurones artificiels et biologiques au même ryhtme

La neuroprothèse mise au point par Timothée et Paolo prend donc la forme d’une puce électronique contenant à la fois neurones artificiels et neurones biologiques photosensibles. Grâce à une source de lumière, le langage électrique de ces neurones artificiels est converti en images lumineuses. « Ainsi, nous avons réussi à obtenir un transfert élevé d’informations en temps réel. Synchronisés dans leurs activités, neurones artificiels et neurones biologiques sont comme fusionnés en une seule et même population. »

Coupler des stimulations optogénétiques à des réseaux de neurones artificiels « promet des avancées importantes en neuroscience ». Parler en temps réel à des cellules neuronales est « un atout majeur pour étudier la communication entre neurones artificiels et biologiques. Et peut-être aussi conclut les chercheurs, pour réussir à concevoir des neuroprothèses thérapeutiques fonctionnelles chez l’Homme. »