De nouvelles sondes neuronales à base de graphène améliorent la détection des signaux cérébraux épileptiques

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Des sondes cérébrales flexibles constituées de micro-transistors de graphène peuvent être utilisées pour enregistrer des signaux cérébraux associés à l’épilepsie avec une excellente fidélité et une haute résolution spatiale, rapporte une nouvelle étude co-dirigée par des chercheurs du Collège universitaire de Londres (University College London, UCL).


Dans un article publié aujourd’hui dans Nature Nanotechnology, les chercheurs rapportent des tests réussis de leurs nouvelles sondes sur des rongeurs. Ils affirment que la capacité d’enregistrer et de cartographier la gamme complète des signaux cérébraux à l’aide de sondes électrophysiologiques fera considérablement progresser notre compréhension des maladies du cerveau et facilitera la gestion clinique des patients atteints de divers troubles neurologiques. Cependant, les technologies actuelles sont limitées dans leur capacité à obtenir avec précision des signaux cérébraux ultra-lents à haute fidélité spatiale.

Neural probeSondes et les signaux enregistrés. Crédit: © ICN2

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Le co-auteur principal, le Dr Rob Wykes (UCL Queen Square Institute of Neurology et Université de Manchester) a déclaré: “L’épilepsie est le trouble cérébral grave le plus courant dans le monde, et de nombreuses personnes ne bénéficient pas de traitements médicamenteux et nécessitent donc une intervention chirurgicale. Comme la chirurgie doit être ciblée avec précision, il est essentiel de pouvoir identifier avec précision l’origine des crises d’une personne”.Notre technologie est capable de cartographier clairement une large gamme de signaux cérébraux avec une très haute résolution, nous espérons donc qu’elle pourrait permettre une chirurgie de l’épilepsie plus efficace, qui pourrait également être réalisée en enlevant moins de tissu cérébral”.

La nouvelle technologie

L’épilepsie reste difficile à traiter, car jusqu’à 30 % des personnes sont incapables de contrôler leurs crises à l’aide de médicaments antiépileptiques traditionnels. Pour ceux qui ne bénéficient pas de médicaments, la chirurgie de l’épilepsie peut être une option viable. L’ablation chirurgicale de la zone du cerveau où les crises commencent pour la première fois peut mettre un terme aux crises; cependant, le succès de la chirurgie repose sur l’identification précise de la zone d’apparition des crises.

Les signaux cérébraux épileptiques s’étendent sur une large gamme de fréquences – beaucoup plus large que la bande surveillée dans l’électroencéphalogramme (EEG) conventionnel. Les biomarqueurs électrographiques d’une zone de début de crise comprennent des oscillations très rapides ainsi qu’une activité infra-lente (oscillations électriques dans le cerveau à très basse fréquence) et des décalages de courant continu (DC). Les oscillations infra-lentes peuvent fournir des informations très pertinentes associées à l’apparition des crises, mais sont rarement utilisées en raison des faibles performances des sondes de courant pour enregistrer ces types de signaux cérébraux lents.

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L’équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’UCL, de l’Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2) et de l’Institut de microélectronique de Barcelone (IMB-CNM-CSIC) présente une sonde qu’ils ont développée et capable d’enregistrer le spectre complet de signaux cérébraux.  La sonde neurale de profondeur de graphène (graphene depth neural probe ou gDNP) développée par l’équipe de recherche se compose d’un réseau linéaire de micro-transistors d’un millimètre de long intégré dans un substrat flexible polymère d’un micromètre. Les dispositifs flexibles gDNP ont été implantés de manière chronique chez des rats et des souris utilisés comme modèles de crises et d’épilepsie. Les dispositifs implantés ont fourni une résolution spatiale exceptionnelle et un enregistrement à large bande passante très riche des signaux cérébraux épileptiques pendant des semaines.

En outre, d’autres tests ont confirmé l’absence de lésions tissulaires et de neuroinflammation importantes, attribuées à la biocompatibilité des matériaux utilisés, y compris le graphène, et à la nature flexible du dispositif gDNP. L’application de cette technologie permettra aux chercheurs d’étudier le rôle que jouent les oscillations infra-lentes dans la promotion des fenêtres de susceptibilité pour la transition vers la crise, ainsi que d’améliorer la détection des biomarqueurs électrophysiologiques cliniquement pertinents associés à l’épilepsie.

Portée et perspectives

Une fois que cette technologie passera aux essais humains et à l’utilisation clinique, elle pourrait permettre aux chirurgiens d’identifier et de confiner beaucoup plus précisément les zones du cerveau responsables de l’apparition des crises avant la chirurgie, ce qui entraînerait des résections moins étendues et de meilleurs résultats.  En fin de compte, cette technologie peut également être appliquée pour améliorer notre compréhension d’autres maladies neurologiques associées à des signaux cérébraux ultra-lents, telles que les lésions cérébrales traumatiques, les accidents vasculaires cérébraux et la migraine. Cette étude a été menée par des chercheurs de l’UCL et de l’ICN2 et de l’IMB-CNM-CSIC en Espagne, aux côtés de co-auteurs de l’Université de Manchester, de l’Universitat Autònoma de Barcelona (Espagne) et de g.tec medical engineering GmbH (Autriche).

Voir la publication

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Bonaccini Calia, A., Masvidal-Codina, E., Smith, T.M. et al. Full-bandwidth electrophysiology of seizures and epileptiform activity enabled by flexible graphene microtransistor depth neural probes. Nature Nanotechnology (2021).

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