Illustration d'une microélectrode flexible étirable à haut débit. Photo : avec l’aimable autorisation de BCIFlex
Une équipe de recherche chinoise a développé une microélectrode extensible et flexible qui peut s'adapter dynamiquement au mouvement du cerveau, abordant ainsi un goulot d'étranglement de longue date dans la technologie invasive d'interface cerveau-ordinateur (BCI) dans laquelle les électrodes flexibles conventionnelles sont sujettes au déplacement et à la rétraction pendant le mouvement du cerveau.
Les résultats, dirigés par Fang Ying, chercheur principal à l'Institut chinois de recherche sur le cerveau de Pékin, ont été publiés jeudi dans Nature Electronics, une revue sœur de Nature. L'étude rapporte une électrode flexible et extensible qui combine l'acquisition de signaux neuronaux à haut débit avec une conformité biomécanique.
Les chercheurs ont déclaré que la nouvelle architecture d'électrodes fournit une solution fondamentale pour la stabilité à long terme des BCI invasives en permettant aux électrodes implantées de se conformer mécaniquement à la pulsation naturelle du cerveau et au déplacement intracrânien, réduisant ainsi considérablement les risques de perte de signal et de lésions tissulaires.
Fang a déclaré samedi au Chine Direct dans une interview exclusive que la recherche était motivée par des problèmes observés plusieurs années plus tôt lors d'expériences invasives de BCI sur des primates non humains.
« Il y a environ quatre ans, nous avons découvert que les électrodes flexibles comportaient un risque réel de rétraction dû aux mouvements du cerveau », a déclaré Fang. « Cela nous a incité à explorer de nouvelles approches pour réduire le risque d'arrachement des électrodes lorsqu'une extrémité est ancrée au cerveau et l'autre fixée au crâne. »
La question a attiré une plus grande attention en 2024 après que la société Neuralink de l'entrepreneur américain Elon Musk a mené son premier essai clinique invasif de BCI sur un patient humain. Cependant, environ 85 pour cent des électrodes flexibles à 1 024 canaux implantées chez le patient se sont rétractées du cerveau quelques semaines après l'implantation, en grande partie parce que les électrodes étaient pliables mais non extensibles et ne pouvaient pas s'adapter aux mouvements naturels du cerveau.
Face aux pulsations constantes du cerveau et au déplacement intracrânien, les électrodes linéaires traditionnelles ont du mal à s'adapter en temps réel, ce qui les rend susceptibles de se déplacer, voire d'être entièrement retirées du tissu neuronal. Un tel détachement réduit non seulement le nombre et la précision des signaux neuronaux collectés, mais peut également déclencher des réponses inflammatoires dans les tissus cérébraux.
En conséquence, le développement de nouvelles électrodes flexibles capables de s'adapter à la dynamique cérébrale et de permettre un enregistrement stable des signaux à long terme est devenu un obstacle majeur à l'application clinique des BCI invasives, a expliqué l'équipe de Fang dans une réponse écrite au Chine Direct.
Pour relever ce défi à l’échelle de l’industrie, l’équipe a proposé une architecture d’électrodes extensibles à haut débit. Selon l'étude, la conception exploite la rigidité à la flexion extrêmement faible des films flexibles ultra-fins, redirigeant les contraintes de traction vers des déformations de flambage à faible énergie. Cela permet aux électrodes de suivre dynamiquement les pulsations cérébrales et les mouvements intracrâniens après l'implantation, garantissant ainsi une stabilité à long terme dans le tissu neural.
Fang a expliqué que l'innovation fondamentale réside dans la conception structurelle en spirale de l'électrode.
« Nous avons conçu l'électrode comme une structure enroulée. Parce qu'elle est ultra fine, elle se plie très facilement », a expliqué Fang. « Grâce à la conception structurelle, nous convertissons l'étirement en flexion et en torsion de l'électrode elle-même, ce qui réduit considérablement la force requise pour l'étirement. Après l'implantation, l'électrode peut monter et descendre avec la pulsation naturelle du cerveau, empêchant ainsi son déplacement ou sa rétraction comme ce que nous avons vu avec les électrodes de Neuralink. »
Les électrodes extensibles sont également nettement plus douces que les conceptions linéaires conventionnelles, a souligné Fang. Elle a noté que l'étirement des électrodes linéaires de Neuralink de 100 micromètres nécessite une force d'environ 4 millinewtons, alors que les nouvelles électrodes extensibles ne nécessitent que 37 micronewtons, soit environ un centième de la force. Cela réduit considérablement le stress mécanique sur les tissus cérébraux et, à la source, permet d’éviter les réponses immunitaires et les cicatrices gliales généralement associées aux électrodes linéaires traditionnelles.
Pour vérifier la fiabilité de l'implantation et la stabilité à long terme, l'équipe a mené des tests systématiques sur des singes. Les résultats ont montré que les électrodes flexibles et extensibles permettaient des enregistrements neuronaux stables et à long terme dans le cerveau des primates.
Pour évaluer plus en détail la capacité d'acquisition de signaux à grande échelle, les chercheurs ont implanté avec succès un réseau d'électrodes extensibles à haute densité de 1 024 canaux dans le cerveau d'un primate, à une échelle comparable aux spécifications de base de Neuralink. Le système a réalisé des enregistrements de signaux neuronaux à grande échelle et de haute qualité, validant ainsi les avantages en termes de performances de la conception extensible, selon le document de recherche.
La technologie BCI, qui établit un canal d’échange direct d’informations entre le cerveau et les appareils externes, est largement considérée comme une voie vers une intégration plus profonde entre l’intelligence humaine et l’intelligence artificielle. Les principaux pays et régions accélèrent leurs recherches dans le secteur de la BCI, et la Chine a inclus le développement de la BCI dans les recommandations de son prochain 15e plan quinquennal, soulignant ainsi un fort soutien au niveau national dans ce domaine.
