Une microélectrode haute densité pour les enregistrements neuronaux humains

L'enregistrement de l'activité cérébrale humaine à de nombreuses échelles est un outil important en médecine clinique. La capacité d'enregistrer les potentiels d'action extracellulaires, également connus sous le nom d'"activité unitaire unique" (SUA) a fourni un aperçu fondamental des détails de la fonction neuronale chez l'homme ainsi que chez une variété d'animaux non humains. Chez l'homme, les techniques d'enregistrement des potentiels d'action extracellulaires sont relativement limitées. Les sondes rigides à bouts pointus fabriquées par plusieurs sociétés sont approuvées par la FDA et couramment utilisées dans le cadre de la norme de soins lors de diverses procédures chirurgicales telles que l'implantation d'un dispositif de stimulation cérébrale profonde (DBS) pour identifier les zones d'activité neuronale et optimiser le placement des électrodes cliniques. La même technique a été utilisée pour mieux comprendre la fonction cérébrale et son altération par la maladie chez l'homme. De plus, diverses techniques d'implantation semi-chronique de microfils sont disponibles. Ces électrodes sont plus couramment utilisées chez les patients souffrant de troubles épileptiques et ont permis de mieux comprendre le comportement du réseau, comme dans le lobe temporal médial et le lobe frontal médial.

Cependant, il reste un énorme fossé entre les capacités d'enregistrement des électrodes modernes utilisées dans la recherche animale et ce qui est actuellement cliniquement disponible pour les tests humains. Une électrode unique à tige rigide typique actuellement utilisée dans les soins cliniques enregistrera de 1 à 3 neurones distinctement isolés à la fois. En revanche, dans la recherche animale de pointe, des sondes à plus haute densité telles que l'électrode Neuropixel [4-6] permettent désormais d'enregistrer régulièrement des centaines, voire des milliers de neurones dans une seule région du cerveau. Cette capacité d'enregistrement nettement accrue se traduit directement par une meilleure compréhension de la façon dont les neurones et les réseaux cérébraux interagissent pour créer des comportements et des maladies complexes. La plupart des électrodes haute densité couramment utilisées sont basées sur une tige en silicium rigide sur laquelle plusieurs contacts d'enregistrement (généralement en platine, iridium, or ou polymères conducteurs) sont intégrés. Il existe plusieurs limitations importantes des sondes à base de silicium pour les traduire dans les applications du grand cerveau, et en particulier chez l'homme [7] Premièrement, le silicium est fragile, ce qui rend les électrodes sujettes à la fracture, ce qui les rend risquées pour les applications humaines. De plus, le processus de microfabrication de silicium n'est pas pratique pour fabriquer de grands dispositifs, limitant la longueur de la sonde disponible dans le commerce à environ 20 mm, ce qui est trop court pour la plupart des applications cliniques dans le cerveau humain. De plus, la connexion entre les contacts d'électrode et le préamplificateur dans les produits actuellement disponibles nécessite une carte de circuit imprimé rigide qui est fixée à l'électrode, qui est difficile à travailler et qui nécessite que les préamplificateurs soient maintenus très proches de le cerveau. Bien qu'il existe une version approuvée par la FDA des sondes en silicium (c'est-à-dire l'Utah Array utilisé pour les interfaces cerveau-machine), ces applications sont limitées à des sondes courtes <2 mm de long utilisées pour les enregistrements corticaux de surface. Les limitations inhérentes au matériau et au processus décrites rendent peu probable que les technologies de sonde à base de silicium fournissent une sonde cliniquement utilisable pour des emplacements plus profonds dans le cerveau humain. Les chercheurs ont donc cherché à utiliser un nouveau type de technologie traduisible à des fins cliniques.

Les chercheurs cherchent à tester une technique plus robuste et fiable pour enregistrer un grand nombre de neurones uniques dans le cerveau humain. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) est un fabricant d'électrodes qui a développé un nouveau type d'électrode qui se compose d'une tige en acier inoxydable et d'un réseau d'électrodes haute densité à base de polyimide qui sont intégrées sur cette tige. Ce type de conception d'électrode s'est avéré très fiable pour les pénétrations cérébrales profondes jusqu'à 8 cm de longueur chez les rongeurs et les primates non humains. Le support en acier est très robuste, évitant entièrement les problèmes de rupture associés aux conceptions de sondes à base de silicium et autres à haute densité. De même, les électrodes à base de polyimide sont un matériau bien connu pour ne pas être biotoxique, bien toléré et faisant partie de nombreux produits actuellement approuvés par la FDA. L'électrode DBC Deep Array est câblée directement à un microprocesseur Intan (Los Angeles, CA) monté à l'autre extrémité de l'arbre. Ce microprocesseur génère un signal numérique, de sorte qu'une longue connexion peut être utilisée entre le microprocesseur et l'unité d'amplification Intan utilisée pour enregistrer les données, sans aucune perte de signal ou ajout de bruit. Cette fonctionnalité est essentielle pour améliorer la sécurité des patients et réduire les risques d'infection lors de l'enregistrement. L'acier est rigide et n'a pas tendance à se fracturer comme le silicium. De plus, ce type d'électrode peut être considérablement plus long, simplement en utilisant un arbre en acier inoxydable plus long pour monter le réseau de polyimide haute densité. Alors que les matrices profondes DBC actuellement fabriquées utilisées dans la recherche animale ont une longueur de 40 à 80 mm, une longueur allant jusqu'à 300 mm est facilement réalisable. Cela contraste avec la longueur maximale de 10 à 20 mm qui est réalisable pour les systèmes à base de silicium et autres systèmes à haute densité. Une longueur de > 100 mm est nécessaire pour sonder les structures cérébrales profondes telles que les ganglions de la base dans le cerveau humain, ce qui est couramment effectué en milieu clinique. L'électrode DBC peut enregistrer jusqu'à 1024 canaux individuels simultanément. Les dispositifs DBC ont été utilisés avec succès chez des primates non humains et ont subi les tests de biocompatibilité, de cytotoxicité, de stérilisation et de sécurité attendus pour une utilisation chez l'homme. Les résultats de ces tests étaient tous satisfaisants et les rapports qui en résultent sont joints à ce protocole.