OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

Pour comprendre l'esprit humain, les scientifiques écoutent souvent les murmures électriques des cellules cérébrales individuelles. Pendant des décennies, cette écoute a nécessité un travail délicat et manuel, où les chercheurs descendaient des fils fins dans le cerveau un par un pour capter les signaux de quelques neurones à la fois. Une nouvelle génération d'outils a changé ce paysage. Il s'agit de longues sondes fines, dotées de centaines de minuscapteurs, capables d'enregistrer des milliers de neurones simultanément au plus profond du cerveau. Cette technologie offre la chance d'entendre la conversation complète du cerveau plutôt que seulement quelques voix isolées. Cependant, ces nouvelles sondes sont fragiles et exigent un niveau de précision que l'équipement de laboratoire standard ne peut pas facilement fournir. Elles doivent être descendues verticalement, sans vaciller, et maintenues parfaitement immobiles pendant des heures. Sans un outil spécialisé pour les guider, le risque d'endommager la sonde ou le cerveau est élevé, et la capacité d'utiliser ces puissants dispositifs chez les grands animaux, comme les singes, reste limitée.

Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a construit une solution à ce problème appelée OpenDrive. Il s'agit d'une machine fabriquée sur mesure, conçue spécifiquement pour descendre ces sondes délicates dans les cerveaux de grands animaux avec une extrême stabilité. L'équipe a créé un système qui est non seulement hautement précis, mais aussi ouvert à toute personne souhaitant le construire et l'améliorer, contrastant nettement avec les machines commerciales coûteuses qui sont difficiles à modifier. Leur travail démontre qu'un dispositif à bas coût, construit par la communauté, peut être aussi performant que, et par certains aspects meilleur que, les outils coûteux actuellement vendus par les entreprises d'instruments scientifiques. En partageant librement leurs conceptions et leurs logiciels, les chercheurs espèrent lever les barrières financières et techniques qui ont empêché de nombreux laboratoires d'utiliser cette technologie transformative.

Le système OpenDrive se compose de deux parties principales : une console de commande et les micro-actionneurs eux-mêmes. La console agit comme le cerveau de l'opération, recevant des commandes d'un écran d'ordinateur et les envoyant aux actionneurs. Les actionneurs sont de petits moteurs légers qui montent et descendent physiquement les sondes. Ce qui rend cette conception unique, c'est son accent sur la simplicité et la stabilité. Les actionneurs sont construits autour d'un rail métallique droit, semblable au rail lisse utilisé dans les tiroirs coulissants, ce qui force la sonde à se déplacer en une ligne parfaitement droite. Cette conception empêche la sonde de se balancer ou de pivoter lors de son entrée dans le cerveau. L'ensemble de l'actionneur ne pèse qu'environ 30 grammes, soit environ le poids d'une petite pomme, ce qui aide à éviter de secouer la tête de l'animal pendant l'enregistrement. Le système est également conçu pour tenir plusieurs sondes à la fois ; les chercheurs ont réussi à descendre jusqu'à neuf sondes simultanément dans le cerveau d'un seul animal, permettant ainsi d'écouter de nombreuses régions cérébrales différentes en même temps.

Pour prouver l'efficacité de leur machine, l'équipe a soumis OpenDrive à une série de tests rigoureux face à deux machines commerciales populaires. Ils ont fixé un laser sur la partie mobile de chaque machine et ont observé où le faisceau laser se posait sur un capteur pendant que la machine descendait. Si la machine vacillait, le point laser dansait en un large cercle. Les machines commerciales présentaient des vacillements importants, le point laser s'écartant considérablement de sa trajectoire. En revanche, l'OpenDrive maintenait le point laser presque parfaitement immobile, se déplaçant de moins de 3 micromètres. Cela signifie que la nouvelle machine a réduit le tremblement latéral de plus de 95 % par rapport aux options commerciales. L'équipe a également mesuré avec quelle précision les machines parcouraient une distance spécifique. Ils ont constaté qu'OpenDrive était tout aussi précis que la meilleure machine commerciale, et bien plus précis que l'autre, avec des erreurs si infimes qu'elles étaient à peine mesurables.

Au-delà des tests en laboratoire, les chercheurs ont utilisé OpenDrive lors d'expériences réelles avec un singe rhesus. Ils ont réussi à descendre des sondes dans diverses parties du cerveau, y compris des structures profondes comme le thalamus et le cervelet, ainsi que dans les couches externes du cerveau. Lors de ces sessions, la machine a maintenu les sondes stables pendant des heures, permettant à l'équipe d'enregistrer l'activité de milliers de neurones sans que les signaux ne sortent de la mise au point. Le système comprend également un logiciel qui permet aux chercheurs de voir exactement où se trouve la sonde à l'intérieur du cerveau en temps réel, en superposant la trajectoire de la sonde sur une carte 3D du cerveau de l'animal. Ce guide visuel aide les scientifiques à viser des cibles spécifiques avec confiance.

La portée de ce travail s'étend au-delà de la performance de la machine elle-même. Pendant des années, les outils nécessaires à ce type de recherche ont été coûteux et fermés, ce qui signifie que si un laboratoire voulait changer une pièce ou résoudre un problème, il devait attendre le fabricant ou acheter une nouvelle unité coûteuse. OpenDrive est différent car chaque partie de celui-ci est en "open source". Les plans, le code et les instructions sont tous disponibles pour que n'importe qui puisse les télécharger, les construire et les améliorer. Le coût total pour construire un système complet est d'environ 5 000 dollars, une fraction des 50 000 dollars requis pour des systèmes commerciaux comparables. En rendant ces outils accessibles et modifiables, les chercheurs invitent la communauté scientifique mondiale à collaborer sur le matériel lui-même. Ils pensent que lorsque les scientifiques peuvent partager et améliorer leurs outils ouvertement, le rythme des découvertes s'accélère, permettant à plus de laboratoires d'explorer les mécanismes complexes du cerveau avec la technologie la plus avancée disponible.