Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

Le cerveau est un paysage de cellules vivantes, mou, humide et en constante mutation, tandis que les dispositifs que nous utilisons pour l'écouter sont généralement durs, plats et rigides. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de combler ce fossé, en attachant des capteurs métalliques ou de silicium rigides à des tissus nerveux délicats. Le problème est que ces deux mondes ne s'ajustent pas bien ensemble. Le dispositif dur pousse contre le tissu mou, provoquant une réaction du corps qui construit une cicatrice isolant le capteur, un peu comme une écharde sous la peau. Cette barrière affaiblit le signal au fil du temps, rendant difficile l'écoute claire des faibles murmures électriques des neurones. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers des matériaux mous, semblables au plastique, capables de bouger avec le cerveau, mais même ces matériaux mous restent souvent plats, laissant un minuscule espace vide entre le capteur et la membrane cellulaire. Ce vide agit comme une barrière, brouillant la connexion. L'objectif de la neurotechnologie moderne est de créer un capteur qui ne se contente pas de se poser sur un neurone, mais qui l'embrasse réellement, formant un lien étroit et sans couture qui permet une communication claire sans déclencher les défenses de l'organisme.

Une équipe de chercheurs du Centre de recherche de Jülich en Allemagne et de l'Institut de technologie italien a franchi une étape importante vers cet objectif en créant un nouveau type d'électrode qui imite la structure ramifiée d'un neurone lui-même. Au lieu d'une surface plane, ils ont fait croître de minuscules fibres semblables à des arbres, composées d'un polymère conducteur, directement sur leurs capteurs. Ces fibres, qui ressemblent aux branches d'un arbre ou aux extensions d'une cellule nerveuse, sont conçues pour être touchées et enveloppées par les neurones qu'elles sont censées mesurer. En contrôlant soigneusement les conditions électriques pendant le processus de croissance, les scientifiques ont pu programmer la taille, la forme et la complexité de ces fibres, transformant un simple coussinet plat en une structure tridimensionnelle et ramifiée qui invite la cellule à se rapprocher.

Les chercheurs ont fait croître ces structures grâce à un processus appelé électrodéposition, où ils ont appliqué des impulsions électriques spécifiques à une solution contenant les blocs de construction du polymère. En ajustant le voltage, la vitesse des impulsions et la durée de la croissance, ils pouvaient dicter la formation des fibres. Ils ont créé trois types de surfaces distinctes pour les tester : un revêtement plat et bidimensionnel ; une version avec des fibres courtes et épaisses ; et une version avec des fibres longues et complexes, ramifiées. Ces structures ont été conçues pour ressembler à différents stades de la propre croissance d'un neurone, du corps cellulaire simple au réseau de branches pleinement développé. L'équipe a constaté qu'en changeant simplement les paramètres électriques, elle pouvait passer de manière fiable d'une forme à l'autre, prouvant que la forme physique de l'électrode pouvait être programmée comme un code informatique.

Lorsque ces nouvelles électrodes ont été mises en contact avec des cellules cérébrales vivantes de rats, la différence dans la façon dont les cellules interagissaient avec la surface était frappante. Sur les électrodes plates, les cellules se posaient dessus, mais un écart notable subsistait entre la membrane cellulaire et le capteur. Cependant, sur les électrodes couvertes de fibres, les cellules se comportaient différemment. Les neurones émettaient leurs propres petites extensions, appelées neurites, qui s'étiraient pour envelopper étroitement les fibres artificielles. Dans certains cas, la membrane cellulaire se repliait même vers l'intérieur, épousant la fibre si étroitement que l'espace entre la cellule et le capteur disparaissait presque. Cet embrassement serré était plus efficace sur les fibres courtes et épaisses, où la membrane cellulaire pouvait épouser pleinement la forme de la structure. Sur les branches plus longues et plus délicates, l'enveloppement était toujours présent mais devenait moins serré à mesure que les fibres s'affinaient vers leurs extrémités, suggérant que l'épaisseur physique de la branche importe pour la capacité de la cellule à s'y accrocher.

Cette proximité physique se traduisait directement par une meilleure performance électrique. Les chercheurs ont enregistré l'activité électrique des cellules cérébrales sur plusieurs semaines et ont constaté que les réseaux développés sur les électrodes à fibres courtes étaient plus actifs que ceux sur les surfaces plates ou à fibres longues. Les cellules sur les fibres courtes émettaient des signaux plus fréquemment et regroupaient leurs signaux en bouffées d'activité plus fortes. Cela suggère que le contact physique étroit fourni par les fibres courtes aidait les cellules à communiquer plus efficacement avec le dispositif. En revanche, les fibres longues n'augmentaient pas autant l'activité, probablement parce que les cellules ne pouvaient pas envelopper les extrémités fines et distantes aussi solidement qu'elles pouvaient le faire autour de la base plus épaisse. L'étude a également montré que ces nouvelles structures ne perturbaient pas l'organisation globale du tissu cérébral ; les cellules ne s'agglutinaient pas et ne changeaient pas leur disposition générale, mais elles montraient des signes de formation de points de connexion plus spécialisés, connus sous le nom de synapses, précisément là où elles touchaient les fibres.

Plus remarquable encore, ces électrodes couvertes de fibres ont permis aux chercheurs de faire quelque chose qui est habituellement impossible avec des capteurs standards : ils ont pu jeter un bref regard à l'intérieur de la cellule. À l'aide d'un faisceau laser focalisé, l'équipe a créé un minuscule trou temporaire dans la membrane cellulaire, précisément là où elle touchait une fibre. Cette technique, connue sous le nom d'optoporation, a permis à l'électrode d'enregistrer le signal électrique depuis l'intérieur de la cellule, une tâche habituellement réservée à des méthodes beaucoup plus invasives. La qualité de ce signal interne dépendait de l'endroit où le laser frappait la fibre ; le signal était le plus clair à la base de la branche, là où la cellule était enveloppée étroitement, et devenait plus faible vers la pointe. Cela a confirmé que la force de la connexion entre la cellule et l'électrode est déterminée par la forme locale de la fibre.

Ce travail démontre que la forme physique d'un capteur neural est tout aussi importante que le matériau dont il est fait. En faisant croître des électrodes qui ressemblent et ressentent comme les neurones qu'elles sont censées interfacer, les chercheurs ont créé une plateforme qui encourage les cellules à s'intégrer naturellement, réduisant l'écart qui entrave habituellement la communication. Bien que cette technologie nécessite encore des raffinements pour maximiser la clarté du signal, l'étude établit que la programmation de l'architecture physique des électrodes organiques est un moyen puissant de contrôler la façon dont les cerveaux vivants et les dispositifs artificiels se connectent. Cette approche va au-delà de la simple fabrication de capteurs plus mous ou plus petits ; elle change la géométrie même de l'interface, permettant au dispositif de devenir une partie de la structure biologique qu'il est conçu pour lire.