Neurosciences et Neuro-interfacing

Il parait important de définir ce qu’est un neurone, cette cellule propre aux êtres vivants. Le neurone est le pilier du système nerveux: c’est par lui que convergent les ordres du cerveau à travers le corps. Il a une faculté de mémorisation étonnante. Il interprète un stimulus extérieur à l’individu en le transformant en signal électrique pour qu’il converge vers le cerveau. Cette cellule n’a qu’un fonctionnement. Elle transporte de l’influx nerveux de manière unidirectionnelle: elle est donc polarisé.

Le neurone est tout d’abord constitué d’un corps cellulaire. Celui-ci, comme pour toute cellule, est composé d’un noyau de mitochondrie et d’une membrane phospholipidique pour le protéger. Le corps cellulaire est doté de prolongements appelés axone et dendrites. Les dendrites relient les neurones entres eux pour créer un réseau neuronal et l’axone assure le lien entre le neurone et le tissu musculaire (par lui converge l’ordre).

Ces cellules se mettent spontanément en réseau. Une synapse assure la connexion entre deux dendrites. Celle-ci transmet le message nerveux en utilisant des médiateurs chimiques (acétylcholine, dopamine, adrénaline…).

L’influx nerveux suit la loi du tout ou rien. Si le neurone ne reçoit pas un signal assez grand (55 mV) il ne transmet pas le message nerveux ou potentiel d’action.

2-Les conditions d’utilisation du neurone

            La manipulation des neurones introduit des contraintes inhérentes à la manipulation des cellules vivantes. Tout d’abord le corps cellulaire d’un neurone ne fait pas plus de 10 µm de diamètre il faut un  matériel adapté pour le manipuler. De plus il faut savoir que sortie de son milieu de vie, le neurone ne survie pas plus de quelque heures. Pour effectuer des mesures sur cette cellule il faut savoir la manipuler et la garder en vie au moins une semaine sans qu’elle ne soit détériorée. Pour cela les biologistes ont travaillés étroitement avec les électroniciens. Il est nécessaire de créer une zone dans laquelle étudier le neurone, sans qu’il meurt. Cette cellule réagit mal avec certains métaux et ne survit pas a l’air libre. Aujourd’hui la neuro-cage, les neuro-puits, et l’utilisation de plots (nous verrons au paragraphe trois de ce point) permet de garder en vie un neurone et d’effectuer des mesures dessus pendant des mois.

3-La jonction silicium-neurone 

            Les recherches en neuroscience sont assez récentes. Elles datent du début des années 90. De nombreux essais infructueux ont eu lieu mais c’est en 1995 que Peter Fromhertz, un physicien Allemand de l’institut Max Planck, a mis au point un procédé de mesure efficace et ingénieux : la jonction neurone silicium.

Le principe est le suivant. Il faut établir un contact entre le neurone et un circuit électrique qui lui enverra des stimuli. Il faut pouvoir traiter un neurone à la fois sans le détériorer. Fromhertz a eu l’idée de faire une analogie avec le transistor MOS (métal-oxyde-semiconducteur). On peut appeler cela une structure NOS (neurone-oxyde-semiconducteur). Le neurone est installé dans une boîte de pétri dans laquelle se trouve un milieu nutritif lui permettant de survivre et raccordé avec un spot composé d’une couche de silicium recouverte par une couche mince d’oxyde (SiO2). L’ensemble constitue alors un transistor vivant qui fonctionnera comme  un transistor à effet de champ (FET).  

Pour mesurer le potentiel d’action on plante une électrode en platine dans le neurone et on en place une autre à l’extrémité de la membrane pour mesuré la tension crée par le potentiel d’action.

Le neurone supporte mal les électrodes. Il ne peut rester en vie que quelques heures car les électrodes détruisent la membrane phospholipidique.           

Bien que permettant d’obtenir des informations sur les réactions du neurone aux stimuli électrique, ce système est limité. Il ne permet pas d’étudier les interactions dans un réseau neuronale biologique et n’offre la possibilité de réaliser des mesures que sur quelques heures alors qu’il faudrait pouvoir l’étudier sur des temps plus long.

4-La neuropuce et les puits de neurone : une technique d’étude in-vitro d’un réseau de neurones

En 1999 à l’institut Caltech en Californie (USA) un groupe de chercheur a développé un système permettant à la fois d’étudier et de garder en vie un réseau de neurones bien défini. Ce groupe de scientifiques a mis au point la neuropuce constituée de neuropuits.

La neuropuce a été développée dans l’optique d’étudier individuellement un neurone (réaction aux stimuli électriques, transmission) dans un réseau neuronal biologique. Dans un réseau de neurone,  les cellules sont en mouvement. Pour étudier un seul neurone il va donc falloir les immobiliser. Les puits à neurone (neurowell) permettent d’emprisonner chaque neurone dans un milieu de vie et de les relier à une électrode.  La neuropuce et les neuropuits sont fabriquées selon les procédés de la microélectronique.

La neuropuce consiste en un substrat de silicium sur lequel vont être créés des puits au fond desquels est installée  une électrode d’or platinisée.

Le substrat est une plaque de silicium de 500 µm d’épaisseur de type n. Sur une face, du wafer, il y a une couche mince de 4 µm de silicium dopé fortement au Bohr suivie d’une autre couche  de silicium dopé n.  On effectue d’abord un dépôt LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) de nitrure de silicium sur la surface  de silicium (1) en gravant des fenêtres de 4*8 mm2  laissant apparaître le silicium.  Par un procédé de gravure humide avec une solution de pyrocatechol, le silicium est attaqué jusqu’à atteindre la couche de silicium dopé au bohr qui n’est pas attaquée par la solution (2). La couche de silicium dopée au bohr est enlevée par un procédé de gravure humide sélective. Cette étape permet de créer une fine membrane au fond de chaque puits. On dépose une couche d’oxyde dans le fond du puit créé (0,5 µm) recouverte d’une couche de silicium dopé n avec une fenêtre (4 et 5) et une ouverture est préparée sur l’autre face du substrat pour insérer une électrode d’or (insertion de l’électrode sur (6). Par une procédé de gravure humide, on attaque le silicium pour créer un puit dans la membrane (7). La couche d’oxyde est enlevée par une gravure à l’acide fluorhydrique (8) ; la couche de nitrure recouvrant l’électrode est enlevé par la même occasion. Enfin, l’électrode d’or est platinisée par électrolyse (9).            

Une fois cette structure faite, on place, grâce à une pipette en verre de 10 µm de diamètre, un neurone dans la cage par le trou au haut du puit.         

5-La neurocage

 La neuropuce qui est en cours de développement est constitué de neurocages plus facile pour conditionner le neurone  et le maintenir en vie.

La neurocage est une cage dans laquelle on place un neurone pour qu’il puisse se relier aux autres neurones pour former un réseau. Cette technique permet de maintenir un réseau de neurone en vie pendant plusieurs mois. Cette technique ne permet pas encore de faire des mesures sur les neurones. La neurocage  est fabriquée à partir d’un polymère non toxique pour le neurone: le parylène.

Leur fabrication fait appel aux techniques de la microélectronique.

Les techniques de mesures 

1-Les résultats actuels 

Résultats : en 1991, couplant une puce à une cellule nerveuse, il a été démontré expérimentalement qu’il était possible de récupérer le signal électrique émis par la cellule dans un transistor. En 1995, l’opération inverse est réussi: mesurer la réponse électrique d'un neurone à une sollicitation électrique émanant de la puce.

Pour faire des mesures on utilise des neurones d’escargots sur une neuropuce en silicium. Les corps cellulaires sont bloqués entre des plots.

--Citation de Automates Intelligents-- : Günther Zeck et Peter Fromherz, biochimistes au Max Planck Institute de Munich, ont réussi à construire un neurocircuit électrique complet, alliant une micropuce électronique à deux neurones d'escargot (Lymnaea stagnalis). Le tour de force consiste à avoir obtenu un réseau  hybride véritablement bouclé : un signal électrique partant de la puce a été transmis au premier neurone, qui l'a transmis au second neurone, ce dernier le renvoyant à la puce, qui a pu elle même l'enregistrer.

Mesurant 5 x 6 mm, celle-ci possède 128 x128 senseurs par mm2, soit au total quelque 16384 capteurs-transistors, chacun espacés de 8 millièmes de millimètre. Un exploit car ce nombre élevé de capteurs permet qu'au moins l'un d'eux soit toujours disponible pour tout signal électrique émis par le neurone vivant. Un circuit électronique sophistiqué placé sous chaque capteur permet d'amplifier les signaux électriques, extrêmement faibles, des neurones (5 millivolts au maximum).

En pratique, les neurones individuels sont placés dans une solution nutritive au-dessus du réseau de senseurs (image ci-dessus). Dans ces conditions, et contrairement aux méthodes classiques utilisées en neurophysiologie, les neurones ne sont pas endommagés lors des mesures et restent en vie. Ils peuvent se développer en réseaux. Leur activité peut être observée de façon continue pendant plusieurs semaines, ce qui permet d'analyser leurs fonctions d'apprentissage, de traitement d'information et de mise en mémoire. De premières expériences ont montré que des coupes de cerveau ou de neurones vivants pouvaient être posées sans dommage sur la neuropuce. Avec un tel système, les chercheurs peuvent désormais voir comment des groupes associés de cellules nerveuses réagissent sur une période spécifique à une stimulation électrique ou à l'exposition à certaines substances.

Publiés dans les Proceedings of the National Academy of Science du 28 août 2001, ces travaux démontrent qu'un réseau neuronal peut être surveillé par une micropuce.

 Pour les deux scientifiques allemands, cette avancée laisse préfigurer le développement de systèmes neuroélectroniques utilisés dans les recherches sur le traitement des signaux neuronaux, la neurocomputation et la réalisation de neuroprothèses.

 Les deux chercheurs souhaitent désormais perfectionner le système en essayant d'ajouter quelques neurones supplémentaires afin d'obtenir un réseau fonctionnel. Objectif : comprendre comment se forme la mémoire dans un réseau de neurones.--

Le chercheur souhaite maintenant perfectionner le système afin d'étudier de façon précise les réseaux fonctionnels de neurones... A terme, il s'agit de mieux comprendre les fonctions biologiques respectives des neurones, du tissu nerveux et des réseaux neuronaux. Mais voilà, cela suppose des innovations au niveau même de la puce, afin notamment d'optimiser la précision de la capture des signaux. S'il est vrai que les chercheurs ont développé jusqu'à présent eux-mêmes leur système, ils arrivent ici aux limites de ce qu'ils savent et peuvent faire en microélectronique. La revue Solid State technology présente le neuro-chip, développé par des chercheurs de Infineon Technologies à Munich, en coopération avec le Max Planck Institute (Biochimie). Un biosenseur (circuit intégré) est directement connecté à des neurones vivants d'escargots. Ceci permet d'enregistrer les signaux électriques produits par ces neurones, et de mieux comprendre les fonctions biologiques respectives des neurones, du tissu nerveux et des réseaux neuronaux. --Fin de citation--

Des applications potentielles

Les application potentielles sont nombreuses. On pourrait à terme imagner réaliser les test pharmacologiques de médicament agissant sur le système nerveux directement sur un réseau neuronal implanté sur un circuit ou encore élaborer des traitements contre les maladies cérébrales et du système nerveux (Parkinson, Alzheimer...). Mais nous n'en sommes pas encore là. La neuropuce ne fonctionne actuellement qu'avec des neurones d'escargots.

Une équipe américano-italienne a développé un animal artificiel constitué par un cerveau de lamproie contrôlant un petit robot mobile. Les chercheurs ont greffé le cerveau de la lamproie sur les circuits d’un robot munis de capteurs de lumière, le tout plongé dans du sérum physiologique. Le cerveau de la lamproie a alors dirigé le robot vers la source de lumière comme s’il s’agissait de son propre corps.

La mise au point d’implants cérébraux (neuroprothèses) permettra dans un premier temps de restituer à des personnes handicapées leurs aptitudes perdues ou détériorées. Les prothèses neurales sont des « appareils conçus pour fournir des informations au système nerveux ou, au contraire, lui en faire transmettre ».

Auteurs : Tom et Thomas

Note : cet article a fait l'objet d'une mini-conférence organisée dans le cadre de l'unité nanoscience le 08/03/2005 à l'UFR de physique de l'Université Joseph Fourier.

Sources :

"The Neurochip : a new mutlielectrode device for stimulating and recording from cultured neurons" Michael P. Maher, Jerome Pine, John Wright, Yu-Chong Tai from Caltech*Journal of Neuroscience Method*

"Parylene Neuro-cages for live neural Networks study" Qing He, Yu-Chong Tai, Christopher M. Rutherglen, Jon Erickson, Jerome Pine from Caltech

"Neuroelectronic Interfacing : Semiconductor Chips with Ion channels, Nerve Cells and Brain" Peter Fromherz from Max Planck Institut for Biocnemistry

"Silicon-Neuron Junction : Capacitive Stimulation of an Individual Neuron on a Silicon Chip" Peter Fromherz and Alfred Stett from Max Planck Institut *Physical Review Letter"

Article original de Automates intelligents