Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

Le cerveau humain est un vaste réseau de signaux électriques, et depuis des décennies, les scientifiques cherchent des moyens d'influencer doucement ces signaux depuis l'extérieur du crâne pour comprendre le fonctionnement de l'esprit ou pour traiter des pathologies comme la dépression. Une méthode puissante pour y parvenir est la stimulation magnétique transcranienne. Elle fonctionne en créant un champ magnétique bref et intense qui traverse le crâne sans le toucher. Ce champ magnétique induit à son tour un petit courant électrique dans le tissu cérébral situé en dessous, ce qui peut réveiller ou calmer des groupes spécifiques de neurones. Bien que cette technique soit devenue un outil standard de recherche et une thérapie approuvée pour certaines conditions médicales, les machines qui génèrent ces impulsions magnétiques sont généralement massives, complexes et d'un coût prohibitif, coûtant souvent des dizaines de milliers de dollars. Ce prix élevé maintient cette technologie hors de portée de nombreux laboratoires d'enseignement universitaire, de petits groupes de recherche et de scientifiques indépendants qui pourraient vouloir expérimenter de nouvelles façons de stimuler le cerveau.

Une équipe de chercheurs de l'Université McGill s'est donné pour mission de changer cette dynamique en construisant une version fonctionnelle de cette machine pour une fraction du coût habituel. Ils ont créé un dispositif capable de délivrer le même type d'impulsion magnétique utilisé dans les études professionnelles, mais ils l'ont construit en utilisant des pièces communes, disponibles dans le commerce, que n'importe qui doté de compétences de base en électronique pourrait acheter. L'ensemble de la machine, y compris la bobine spécialisée qui repose contre la tête, a été construit pour environ 700 dollars. Les chercheurs ne se sont pas contentés d'assembler les pièces ; ils ont testé rigoureusement le dispositif pour s'assurer qu'il pouvait générer des champs magnétiques assez puissants pour potentiellement activer des cellules cérébrales humaines. Leur travail démontre que la stimulation cérébrale de haute puissance ne nécessite pas un budget de laboratoire de plusieurs millions de dollars, à condition que les constructeurs possèdent les connaissances techniques appropriées et respectent les risques de sécurité importants impliqués.

Le cœur de ce nouveau dispositif repose sur un concept simple mais puissant : stocker une grande quantité d'énergie électrique et la libérer d'un coup à travers une bobine de fil. Les chercheurs ont utilisé une banque de condensateurs, qui sont des composants qui retiennent la charge électrique comme une batterie retient l'eau, pour stocker l'énergie. Ils ont chargé ces condensateurs à une tension très élevée, environ 1 460 volts, en utilisant un circuit de charge construit à partir d'une alimentation standard de 24 volts et d'un transformateur spécialisé. Une fois les condensateurs pleins, l'équipe a déclenché un interrupteur appelé thyristor pour libérer l'énergie stockée en une fraction de seconde. Cette poussée soudaine d'électricité a traversé une bobine enroulée sur mesure en forme de huit, créant un changement rapide du champ magnétique. Cette forme spécifique et la vitesse de l'impulsion sont cruciales car elles déterminent comment le champ magnétique interagit avec le cerveau. L'impulsion résultante a duré environ 90 microsecondes, une durée que les chercheurs ont calculée comme étant efficace pour stimuler les neurones.

La sécurité a été une préoccupation primaire tout au long de la conception, étant donné que le dispositif stocke suffisamment d'énergie pour être mortel en cas de mauvaise manipulation. L'équipe a construit plusieurs couches de protection pour prévenir les chocs accidentels ou les décharges incontrôlées. La machine est logée dans une boîte en plastique transparent afin que l'opérateur puisse voir l'intérieur pendant son fonctionnement, et les composants à haute tension sont séparés de l'électronique de commande par des barrières physiques et électriques. Pour garantir que la machine ne puisse pas être allumée sans être en sécurité, ils ont installé des verrouillages qui coupent l'alimentation si la boîte est ouverte ou si une seconde personne n'est pas présente pour tenir un interrupteur de sécurité. Ils ont également inclus un long bâton isolé avec un crochet métallique à son extrémité, permettant à un opérateur de drainer manuellement l'énergie restante des condensateurs à une distance de sécurité sans jamais avoir à ouvrir la boîte. Ces mesures ont été conçues pour atténuer les risques liés au travail avec de telles tensions et courants, qui peuvent atteindre plus de 5 000 ampères lors du bref instant où l'impulsion est déclenchée.

Pour prouver que leur machine artisanale fonctionnait réellement, les chercheurs ont dû mesurer le champ magnétique qu'elle produisait sans dépendre de capteurs commerciaux coûteux. Ils ont construit une petite bobine de capteur simple et l'ont déplacée en de nombreuses positions sous la bobine de stimulation principale pour cartographier le champ magnétique. En analysant la façon dont la tension changeait dans leur capteur, ils ont calculé la vitesse à laquelle le champ magnétique changeait, un facteur clé pour déterminer la force de la stimulation dans le cerveau. Leurs mesures ont montré qu'à puissance maximale, le dispositif produisait un taux de variation de champ magnétique d'environ 111 ampères par microseconde. Lorsqu'ils ont injecté ces données dans une simulation informatique d'une tête humaine, les résultats ont indiqué que le dispositif pouvait générer des champs électriques dans le cerveau suffisamment puissants pour dépasser le seuil moyen nécessaire pour activer les neurones moteurs. Plus précisément, la simulation suggérait que le dispositif pouvait produire des champs de 159 volts par mètre à l'arrière de la tête et de 196 volts par mètre sur le côté, des valeurs bien supérieures aux niveaux typiquement requis pour déclencher une réponse dans le cerveau.

Les chercheurs ont comparé les performances de leur appareil artisanal à celles d'une machine commerciale pour s'assurer que leurs méthodes de mesure étaient précises. Ils ont constaté que leur approche à bas coût pour mesurer le champ magnétique était hautement fiable, avec des résultats correspondant aux valeurs rapportées par la machine commerciale avec une faible marge d'erreur. Cette validation donne confiance dans le fait que leur dispositif artisanal fonctionne comme prévu. Cependant, les auteurs précisent avec prudence qu'il s'agit d'un prototype de recherche, et non d'un dispositif médical approuvé pour une utilisation sur l'homme. Ils soulignent que, bien que la machine puisse générer l'énergie nécessaire, elle n'a pas été testée sur des humains ou des animaux, et qu'elle manque de la validation clinique requise pour une thérapie. Le dispositif est destiné à être utilisé par des chercheurs formés qui comprennent l'électronique à haute tension et peuvent suivre des protocoles de sécurité stricts.

Ce projet représente une étape significative vers la démocratisation de l'accès aux outils de neurosciences avancés. En démontrant qu'un stimulateur magnétique de haute puissance fonctionnel peut être construit pour le prix de quelques centaines de dollars en utilisant des composants accessibles, l'équipe a ouvert la voie à davantage de scientifiques pour expérimenter des techniques de stimulation cérébrale. Leur travail prouve que la barrière à l'entrée de ce domaine n'est pas seulement la complexité de la physique, mais largement le coût de l'équipement. Bien que le dispositif ne soit pas encore prêt pour un usage clinique, il offre une plateforme puissante et à bas coût pour les chercheurs souhaitant étudier comment différentes formes d'impulsions et conceptions de bobines affectent le cerveau, menant potentiellement à de nouvelles découvertes sur notre compréhension et le traitement des conditions neurologiques. Le succès de cette construction suggère qu'avec une ingénierie minutieuse et un engagement envers la sécurité, les outils de la neuroscience moderne peuvent être rendus accessibles à une communauté de scientifiques beaucoup plus large.