Interface cerveau-ordinateur modulaire : une innovation révolutionnaire dans l’enregistrement neuronal, la stimulation neuronale et l’administration de médicaments

Contexte académique

L’interface cerveau-ordinateur (Brain-Machine Interface, BMI) est un outil essentiel en neurosciences et en médecine clinique, permettant des interactions entre le cerveau et le monde extérieur en termes de charge électrique, de matière et d’information. Elle trouve des applications diverses dans le décodage neuronal, le diagnostic et le traitement des maladies neurologiques, ainsi que dans la recherche sur le cerveau. Avec l’avancement des neurosciences, les interfaces cerveau-ordinateur multimodales (multimodal BMI) ont suscité un intérêt croissant, car elles peuvent simultanément supporter des fonctions telles que l’enregistrement neuronal, la stimulation neuronale et l’administration de médicaments. Cependant, la plupart des interfaces multimodales existantes sont conçues pour des scénarios spécifiques avec des configurations fixes hautement intégrées, ce qui limite leur adaptabilité à divers besoins expérimentaux.

Pour résoudre ce problème, Sheng et son équipe ont proposé une interface cerveau-ordinateur modulaire et multimodale, visant à adapter la configuration, les modalités et les fonctionnalités de l’interface selon les besoins expérimentaux grâce à une conception modulaire flexible. Cette conception accroît non seulement l’adaptabilité de l’appareil, mais fournit également une plateforme polyvalente pour des expériences nécessitant plusieurs modalités et spécifications.

Source de l’article

L’article a été co-écrit par Tiancheng Sheng, Lingyi Zheng, Jingwei Li et d’autres, tous membres de l’École d’ingénierie biomédicale de l’Université Tsinghua, du Département de génie mécanique et du Laboratoire national clé de robotique de l’Institut d’automatisation de Shenyang, Académie chinoise des sciences. Publié le 16 mai 2025 dans la revue Device, l’article s’intitule Modular brain-machine interface for neurorecording, neurostimulation, and drug delivery.

Processus de recherche et résultats

1. Conception et développement de l’interface cerveau-ordinateur modulaire

L’équipe a proposé une interface cerveau-ordinateur modulaire sans fil et multimodale, basée sur un principe de dispersion fonctionnelle qui décompose un système complexe en plusieurs modules simples. L’appareil est constitué d’une couche de support (Support Layer, SL), d’une couche fonctionnelle (Functional Layer, FL) et d’une couche d’interface (Interface Layer, IL). La couche de support intègre des fonctions telles que la communication sans fil, la gestion de l’alimentation et la gestion du système, tandis que la couche fonctionnelle comprend des modules d’enregistrement neuronal, de stimulation neuronale et d’administration de médicaments. La couche d’interface, quant à elle, se connecte directement au sujet expérimental.

Pour simplifier les connexions entre les modules, l’équipe a conçu une interface physique unifiée (connecteur Zero Insertion Force, ZIF) et des protocoles de communication (Serial Peripheral Interface, SPI et Pulse Width Modulation, PWM), permettant ainsi aux différents modules fonctionnels d’être “plug-and-play”. Cette conception modulaire améliore non seulement la flexibilité de l’appareil, mais offre également la possibilité d’étendre d’autres modules fonctionnels à l’avenir, tels que des modules optiques ou des capteurs de température.

Sur le plan matériel, la couche de support utilise une unité de microcontrôleur (MCU) basée sur l’architecture ARM et des circuits de transmission-réception Wi-Fi. La couche fonctionnelle comprend un module d’enregistrement neuronal à 64 canaux, un module de stimulation neuronale à 16 canaux et un module d’administration de médicaments basé sur une micropompe. Les codes de pilotage de tous les modules sont intégrés au MCU, permettant aux utilisateurs de surveiller les signaux et de contrôler divers paramètres de modulation neuronale en temps réel via un logiciel dédié.

2. Validation expérimentale et scénarios d’application

Pour valider l’applicabilité de l’interface cerveau-ordinateur modulaire, l’équipe a mené des expériences dans quatre scénarios différents :

Scénario 1 : Modulation en boucle fermée de l’épilepsie chez des rats en libre mouvement

L’équipe a validé la capacité de l’interface à administrer des médicaments en boucle fermée dans un modèle de rat. L’expérience impliquait l’implantation d’une électrode corticale pliable (ECoG electrode) dans le lobe pariétal gauche pour enregistrer les activités épileptiques, ainsi que d’un microtube dans l’hippocampe droit pour l’administration de médicaments. L’injection de 4-aminopyridine (4-AP) a induit des activités épileptiques, et un algorithme de détection en temps réel a permis d’identifier les événements de crise, suivis d’une injection immédiate de GABA (acide γ-aminobutyrique) pour moduler les crises. Les résultats ont montré une inhibition significative des activités épileptiques, confirmant l’efficacité de l’interface dans la modulation neuronale en boucle fermée.

Scénario 2 : Enregistrement neuronal multicanal chez le porc

Dans une expérience d’enregistrement cortical aigu chez le porc, l’équipe a utilisé une électrode corticale à 128 canaux, démontrant l’applicabilité de l’interface dans des modèles animaux de grande taille. Les activités neuronales de zones d’enregistrement de différents diamètres ont été capturées et surveillées en temps réel via un logiciel informatique. Les résultats ont montré que les zones d’enregistrement microscopiques pouvaient capter des signaux neuronaux similaires à ceux des zones de plus grande superficie, soulignant le potentiel de l’interface dans l’enregistrement cortical.

Scénario 3 : Enregistrement EEG sur le cuir chevelu humain

L’équipe a développé une configuration en forme d’oreillette utilisant une électrode EEG flexible à 32 canaux pour enregistrer les signaux EEG du cuir chevelu humain. Les résultats ont montré que l’appareil pouvait détecter efficacement les différences des ondes alpha entre les états yeux fermés et yeux ouverts, validant ainsi son utilité dans l’enregistrement EEG humain.

Scénario 4 : Stimulation neuronale directionnelle in vitro

Pour valider la capacité de l’interface dans la stimulation cérébrale profonde directionnelle (Directional Deep Brain Stimulation, DDBS), l’équipe a conçu une électrode omnidirectionnelle basée sur un système microélectromécanique (MEMS). L’expérience a montré que l’électrode pouvait générer des champs électriques tridimensionnels en ajustant les courants de stimulation, démontrant son potentiel dans la stimulation cérébrale profonde.

3. Conclusions et valeur de l’étude

L’interface cerveau-ordinateur modulaire développée par l’équipe permet une transition fluide entre diverses fonctionnalités grâce à son interface unifiée et sa conception modulaire flexible, offrant ainsi une plateforme hautement adaptable pour la recherche en neurosciences. La valeur de cet appareil réside non seulement dans sa multifonctionnalité, mais aussi dans son applicabilité à divers scénarios expérimentaux, tels que la modulation de l’épilepsie, l’enregistrement cortical, la détection EEG et la stimulation cérébrale profonde.

De plus, la conception modulaire pose les bases pour l’extension future d’autres modules fonctionnels (comme des modules optiques ou des capteurs de température), augmentant ainsi le potentiel de l’appareil. L’équipe a également validé l’efficacité des différentes fonctionnalités à travers des expériences, fournissant des bases solides pour des applications cliniques et de recherche futures.

Points forts de la recherche

1. Conception modulaire : Une interface physique unifiée et des protocoles de communication permettent une intégration “plug-and-play” des modules fonctionnels, améliorant la flexibilité et l’extensibilité de l’appareil.
2. Multifonctionnalité : Supporte l’enregistrement neuronal, la stimulation neuronale et l’administration de médicaments, adapté à divers scénarios expérimentaux.
3. Large applicabilité : Démonstration de performances efficaces dans des modèles animaux et humains, validant son utilité pour différents besoins de recherche.
4. Méthodes expérimentales innovantes : L’utilisation de nouvelles technologies, comme les électrodes corticales pliables ou les électrodes omnidirectionnelles, fournit de nouveaux outils pour la recherche en neurosciences.

Autres informations utiles

L’équipe a également développé un logiciel utilisateur dédié, permettant la surveillance en temps réel des signaux et l’ajustement des paramètres, améliorant ainsi la facilité d’utilisation de l’appareil. De plus, l’article décrit en détail le processus de conception et de fabrication des électrodes, offrant des références précieuses pour les chercheurs dans ce domaine.

Cette conception innovante de l’interface cerveau-ordinateur modulaire fournit un outil puissant pour la recherche en neurosciences, promettant de faire progresser les neurosciences, la médecine clinique et les technologies d’interface cerveau-ordinateur.