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Jun 12, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3286 (2022) Citer cet article

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Le développement d’interfaces multimodales peu invasives, capables d’enregistrer et de moduler simultanément l’activité neuronale, est essentiel pour faire progresser notre compréhension des circuits neuronaux. Les dispositifs récents se sont concentrés sur la conformité mécanique des tissus afin de réduire les réponses inflammatoires. Cependant, des réductions de la taille des interfaces multimodales sont nécessaires pour améliorer encore la biocompatibilité et les capacités d’enregistrement à long terme. Ici, une conception de microsonde coaxiale multimodale avec une empreinte mini-invasive (diamètre de 8 à 14 µm sur des longueurs millimétriques) qui permet une interrogation électrique et optique efficace des réseaux neuronaux est présentée. Dans le cerveau, les sondes ont permis des mesures électriques robustes et une stimulation optogénétique. Des stratégies de fabrication évolutives peuvent être utilisées avec divers matériaux électriques et optiques, ce qui rend les sondes hautement personnalisables selon les exigences expérimentales, notamment la longueur, le diamètre et les propriétés mécaniques. Compte tenu de leur réponse inflammatoire négligeable, ces sondes promettent de permettre une nouvelle génération de dispositifs multimodaux facilement réglables pour une interface à long terme et peu invasive avec les circuits neuronaux.

Les enregistrements par microélectrodes constituent la référence en matière de mesure de l'activité des neurones individuels à haute résolution temporelle dans n'importe quelle région du système nerveux et sont essentiels à la définition du rôle des circuits neuronaux dans le contrôle du comportement. Les réseaux de microélectrodes, tels que ceux de l'Utah ou du Michigan, ont permis le suivi de l'activité neuronale distribuée avec une précision de la milliseconde1,2. Cependant, leur grande empreinte et leur rigidité entraînent des lésions tissulaires et une inflammation qui entravent les enregistrements à long terme3,4. Les sondes Neuropixel et en fibre de carbone de pointe ont amélioré ces dispositifs précédents en augmentant la densité des électrodes et en réduisant les dimensions et la rigidité des sondes5,6,7. Bien que ces sondes aient fait progresser le domaine de l’interface neuronale, les dispositifs de nouvelle génération devraient permettre une stimulation ciblée en plus des enregistrements électriques colocalisés3,8. Les techniques optogénétiques permettent une modulation à grande vitesse de l'activité cellulaire grâce à l'expression ciblée et à l'activation d'opsines sensibles à la lumière9. Cependant, étant donné la forte diffusion de la lumière et les propriétés d’absorption élevées du tissu neural, l’interfaçage optogénétique avec des circuits neuronaux profonds nécessite généralement l’implantation de fibres rigides de grand diamètre, ce qui peut rendre cette approche plus invasive que son homologue électrique10,11,12.

La sonde neurale idéale combinerait les modes optiques et électriques tout en conservant de petites dimensions transversales et des longueurs accordables. La capacité d’interagir de manière bidirectionnelle avec des types et des circuits de neurones génétiquement définis est essentielle pour pouvoir comprendre comment le système nerveux calcule et contrôle le comportement. C'est également fondamental pour déterminer la base mécanistique des troubles sensori-moteurs, en définissant comment l'activité du circuit est affectée par une blessure et comment elle peut être restaurée ou facilitée. Les approches d'intégration des modalités optiques et électriques vont de l'ajout de fibres optiques aux réseaux Utah existants à l'Optétrode ou à d'autres structures coaxiales électro-optiques intégrées13,14,15,16,17. Ces technologies se sont révélées très prometteuses pour les enregistrements électriques simultanés et la stimulation optique in vivo. Cependant, la nécessité de réduire l'empreinte de l'appareil afin de minimiser les réponses immunitaires pour les enregistrements à long terme est toujours présente3,18,19,20,21.

Dans ce travail, nous présentons, au meilleur de nos connaissances, la plus petite sonde neuronale coaxiale multimodale avec un canal électrique à faible impédance entourant un petit noyau central de fibre optique. Ces sondes électro-optiques mécaniquement flexibles (EO-Flex) peuvent être fabriquées avec des diamètres aussi petits que 8 µm et des longueurs allant jusqu'à plusieurs millimètres en utilisant des noyaux de guide d'ondes optiques en microfibres ou des diamètres encore plus petits avec des noyaux en nanofibres optiques. Ils peuvent également être liés directement à des fibres monomodes (SMF) pour créer des interfaces optiques détachables à faible perte qui peuvent être directement connectées au matériel optogénétique standard. Les performances simultanées d’enregistrement électrique et de stimulation optique des sondes EO-Flex sont démontrées dans le cerveau de la souris. Nos expériences montrent que le canal électrique en métal poreux offre une excellente capacité d'enregistrement même avec la petite taille de la sonde. Les faibles pertes optiques de la source à la pointe <10 dB permettent une stimulation optogénétique robuste chez des souris transgéniques ou transduites viralement exprimant des opsines dans les cellules cibles. Les études sur les implants montrent des réponses immunitaires minimales, ce qui suggère que la sonde entièrement personnalisable et les futurs réseaux haute densité devraient permettre une interface à long terme avec une perturbation minimale du tissu neural environnant.